Analýza silových účinků pluhů na výstupní parametry orebních souprav Disertační práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Analýza silových účinků pluhů na výstupní parametry orebních souprav Disertační práce Vedoucí práce: Prof. Ing. František Bauer, CSc. Vypracoval: Ing. Dušan Slimařík Brno 2015

2 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci s názvem Analýza silových účinků pluhů na výstupní parametry orebních souprav vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne:.... podpis

3 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu dizertační práce panu Prof. Ing. Františku Bauerovi, Csc. za odborné vedení, věcné rady a připomínky, které mi během polních experimentů a při psaní samotné práce poskytl. Dále bych chtěl poděkovat Doc. Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za pomoc při přípravě a realizaci experimentálních měření a Ing. Lubomíru Zháňalovi za přínosné konzultace ohledně práce v software MSC Adams. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat svojí rodině a přítelkyni za podporu při psaní této práce.

4 ABSTRAKT Cílem práce je analyzování silových účinků pluhů na výstupní parametry orebních souprav se zaměřením na experimentální měření. Pro vyhodnocení naměřených dat z tenzometrických snímačů umístěných v tříbodovém závěsu traktoru byl navržen matematicko-fyzikální model v prostředí MSC Adams umožňující analyzovat prostorovou soustavu sil za účelem nalezení výsledných silových reakcí pod koly traktoru. Naměřená data z polního měření a vypočtená data z matematicko-fyzikálního modelu byla tabulkově a graficky zpracována. Byly objasněny závislosti mezi vlivem nastavení připojení pluhů k traktoru a výstupních parametrů orebních souprav. Z výsledků experimentálního měření s neseným pluhem plyne možnost využití podélné a příčné polohy jeho těžiště za účelem snížení v rozdílu vertikálního zatížení mezi brázdovým a záhonovým kolem při vhodném seřízení tříbodového závěsu traktoru. Výsledky experimentálního měření s návěsným pluhem přináší informaci o významném rozdílu ve vertikálním zatížení působícím mezi koly zadní nápravy traktoru. Pro eliminaci tohoto negativního jevu je možné využít trakčního válce umístěného nad horizontálním kloubem návěsných pluhů. Z definovaných závěrů je patrné, že správné seřízení tříbodového závěsu u nesených pluhů a použití trakčního válce s odpovídajícím tlakem u pluhů návěsných pozitivním způsobem ovlivňuje spotřebu paliva orební soupravy a zároveň zvyšuje její výkonnost. Klíčová slova: tříbodový závěs, traktor, orba, analýza sil, MSC Adams

5 ABSTRACT The aim of this thesis is force effect analysis of ploughing rigs. MSC Adams software was used for mathematical-physical model drafting and subsequent evaluation of measured data from tensometrical force sensing in three point hitch linkage during ploughing operations. Designed model was utilized for force resultant calculations under the driving wheels of a tractor using analysis of spatial system of forces of tractors three point hitch. Field measurement data and data from MSC Adams software were tabular and graphically processed. Dependencies between plough and tractor connection setting and output performance of ploughing rigs were clarified. Results from experimental measurement with fully-mounted plough point out on the utilization of longitudinal and lateral position of ploughs CG for reducing of difference in load between furrow and land wheel with properly adjusted connection between plough and tractor. A result from experimental measurement with semi-mounted plough confirms the fact of significant difference in vertical load between rear axle wheels. This negative phenomenon could be eliminated with usage of traction cylinder localized in construction of semi-mounted ploughs over the horizontal joint. Correct adjustment of tractors three point hitch in case of fully-mounted ploughs and utilization of traction cylinder in case of semi-mounted ploughs have got positive influence on fuel consumption and field performance of ploughing rigs. Key words: three-point hitch, tractor, ploughing, force analysis, MSC Adams

6 1 ÚVOD LITERÁRNÍ PŘEHLED Problematika zhutnění půdy z hlediska orby Faktory ovlivňující výstupní parametry orebních souprav Vzájemné spojení pluhu a traktoru Tříbodový závěs v rovině půdorysu Tříbodový závěs v rovině bokorysu Odpor půdy orební soupravy Konstrukce pluhů z hlediska problematiky silových účinků v TBZ Konstrukce nesených otočných pluhů Nesený otočný pluh s manuálním nastavováním pracovního záběru Nesený otočný pluh s plynulou změnou pracovního záběru Konstrukce návěsných otočných pluhů Návěsný otočný pluh s trakčním válcem Teorie přenosu sil v tříbodovém závěsu při orbě Vliv podélné a příčné polohy těžiště pluhu Vliv opěrného kola pluhu Regulace tříbodového závěsu Elektrohydraulická regulace tříbodového závěsu BOSCH Tenzometrický čep Snímač polohy Ovládací panel Typy elektrohydraulické regulace Silová regulace Polohová regulace Smíšená regulace Tlumení kmitů při transportu Regulace prokluzu Tlaková regulace Monitorování sil v tříbodovém závěsu traktoru... 47

7 2.7.1 Snímání sil pomocí měřicího rámu Snímání sil pomocí tenzometrického tříbodového závěsu Využití standardně instalovaných senzorů CÍLE PRÁCE MATEMATICKÝ MODEL PRO VYHODNOCOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT Tvorba výpočtového modelu Definování působících sil Odečítání výsledných reakcí pod koly traktoru METODIKA EXPERIMENTÁLNÍHO MĚŘENÍ Metodika měření silových účinků orebních souprav s tenzometrickým tříbodovým závěsem Technická specifikace použitého traktoru Technická specifikace použitých pluhů Výkonnost a energetické parametry orební soupravy Orební podmínky Metodika měření při orbě s návěsným pluhem vybaveným trakčním válcem Technická specifikace použitého traktoru Technická specifikace použitého pluhu Orební podmínky Výkonnostní a energetické parametry orební soupravy Vážení traktorové soupravy NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY Polní měření s neseným otočným pluhem Kverneland LS Naměřené a vypočtené hodnoty Výsledky měření Polní měření s návěsným pluhem Kverneland RS Naměřené a vypočtené hodnoty Výsledky měření

8 6.3 Polní měření s návěsným pluhem Pöttinger SERVO Naměřené a vypočtené hodnoty Výsledky měření DISKUZE A VYUŽITÍ POZNATKŮ PRO PRAXI ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM ZKRATEK SEZNAM SYMBOLŮ PŘÍLOHY

9 1 ÚVOD Rostlinná výroba je úzce spojena s půdou a její úrodností. Mezi vlivy ovlivňující úrodnost půdy patří mimo fyzikální a chemické vlastnosti, mikrobiální činnost a vodní režim také její zpracování. Zpracování půdy je v dnešní době ovlivněno několika faktory, mezi něž více než kdy dříve patří finanční náročnost prováděné operace. Konvenční orba realizovaná radličným pluhem, jejíž hloubka odpovídá potřebám následné plodiny a charakteru pozemku, půdu drobí, kypří, promíchává a obrací. Právě obracení zpracovávané vrstvy odlišuje konvenční orbu od ostatních alternativních způsobů zpracování půdy. Traktorová souprava určená pro orbu se skládá z neseného či návěsného pluhu s odpovídajícím počtem orebních těles a traktoru, jehož výkon motoru a celková hmotnost hrají klíčovou roli při sestavování této orební soupravy. Správnou volbou výše zmíněných parametrů orební soupravu lze ovlivnit spotřebu paliva a další klíčové parametry definující ekonomickou náročnost výsledné operace. Výkonnostní parametry traktorové soupravy při orbě jsou ovlivňovány i dalšími faktory. Proměnlivé složení půdy či povětrnostní vlivy patří mezi skupinu faktorů, jež obsluha traktoru nemůže přímo ovlivnit. Jsou zde však parametry, které mají přímé spojení se spotřebu paliva či efektivní výkonností, závisející na zkušenostech obsluhy. Patří mezi ně například správné připojení a seřízení pluhu, jež je spojeno s přenosem hmotnosti agregovaného nářadí za účelem přenosu hmotnosti mezi přední a zadní nápravou. Další proměnnou je volbou převodového stupně či úprava tlaku vzduchu v pneumatikách a v neposlední řadě opatřením traktoru závažím pro jeho dotížení. Zmíněné parametry bezprostředně ovlivňují tahovou účinnost orební soupravy a ve výsledku mohou minimalizovat spotřebu paliva a výrazně zredukovat vstupní náklady rostlinné výroby (C.M.Kichler, 2011). Zatížení hnacích kol traktoru má přímý vliv na jeho tahovou účinnost. Je prokázána vazba mezi dotížením hnacích náprav a zvyšováním tahové účinnosti. Nepřiměřené rozložení hmotnosti však může způsobit nežádoucí zhutňování půdy zvláště pak u orebních souprav, kdy se kola traktoru pohybují v brázdě (Weisskopf et. Al., 2000). 9

10 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED 2.1 Problematika zhutnění půdy z hlediska orby Orba patří mezi agrotechnické operace spadající do kategorie významných činitelů ovlivňujících půdní zhutnění. Toto tvrzení je podpořeno skutečností, že se orba často provádí za nevhodných klimatických podmínek. Příkladem může být nadměrná půdní vlhkost. Taktéž potřeba vysokého požadavku na tahovou sílu při nevhodném seřízení orební soupravy vede k významnému zvýšení prokluzu hnacích kol a následnému dynamickému zatěžování půdy. Dalším parametrem podporujícím teorii zhutňování půdy je skutečnost, že rozložení silového napětí vzniká 20 až 25 cm pod povrchem. Takto vytvořené zhutnění je způsobeno konvenční orbou, kdy se traktorová kola vždy na jedné straně pohybují v brázdě. Také z důvodu malého pracovního záběru (obvykle 35cm na orební těleso) je převážná většina orané plochy pokryta trajektoriemi četných přejedzů kol traktoru. Obecně zhutnění spadá mezi nežádoucí faktory půdní kultivace. I přes všechny výše zmíněné parametry má orba nezastupitelný vliv v zemědělské praxi a to převážně z důvodu zapravování posklizňových zbytků, mechanické eliminace plevele a boji proti škůdcům (Anken and Nadlinger, 1996, Weisskopf et. Al., 2000). Problematikou zhutnění půdy se zabývala celá řada autorů. Zhutnění půdy spolu s jejím dynamickým zatěžováním je jedním z hlavních problémů, kterým čelí moderní zemědělství. Existují však praktické metody, kterými se lze vypořádat či zmírnit dopad tohoto negativního jevu. Významné ovlivnění zhutnění půdy přináší práce s půdou při její optimální vlhkosti. Další možností jak eliminovat nežádoucí zhutnění je snížení měrného tlaku na půdu buď snížením celkového zatížení náprav, nebo zvýšením kontaktní plochy mezi pneumatikami a půdou pomocí speciálních pneumatik (Hamza et al., 2005). Přímý vliv na rozložení hmotnosti na nápravy a následně na jednotlivá kola má nastavení tříbodového závěsu a správná agregace pluhu. K preventivním opatřením proti dalšímu zhutňování půdy patří začlenění on-land orby mezi agrotechnické operace. Velkou výhodou je možnost použití širokých či dvojmontážních pneumatik, což je u konvenční orby limitováno šířkou brázdy (Moitzi G. et al. 2013). Při tomto orebním režimu se traktor pohybuje koly popřípadě pásy po záhoně. 10

11 Odpadá tedy nežádoucí stranové rozložení hmotnosti kvůli naklonění traktoru. Pro tyto účely se používají speciální pluhy navržené pro orbu, kdy se všechna kola traktoru pohybují po záhoně. Konvenční orba v porovnání s on-land orbou způsobuje významně vyšší vertikální zatížení pod kolem jdoucím po dně brázdy. Toto je způsobeno pohybem kol jedoucích o 0,25 m hlouběji než je tomu při on-land orbě a také dodatečným zatížením těchto kol způsobeným rozložením hmotnosti, jenž je výsledkem náklonu samotného traktoru (T. Keller, A Trautner, 2002). Existují i další přístupy, které přinášejí snížení kontaktního tlaku z kol traktoru na podložku. Mezi ně patří výše zmíněné snížení kontaktního tlaku mezi pneumatikou a půdou nebo využití dvoumontáže. Při zachování hmotnosti dochází v obou případech ke snížení měrného tlaku na podložku díky zvětšené kontaktní ploše. Experimentální měření poukazují na fakt, že vertikální zatížení půdy pod dvoumontážemi, kdy byl snímán měrný tlak pod jednotlivými koly, není rozdílené. Při srovnání s konvenčními pneumatikami bez použití dvoumontáže dochází k výraznému snížení měrného tlaku. Tlak huštění pneumatik při konstantním zatížení náprav významně snižuje rozložení napětí v ornici a v podorničí (T.Keller, J. Arvidsson, 2004) Pomocí analýzy silových účinků působících v tříbodovém závěsu je možné určit výslednice sil působící na kola orajícího traktoru. Je dále možné vyšetřit, jakými silami jsou všechna kola zatížena a následně určit vliv dotížení při různém nastavení tříbodového závěsu traktoru. Toto zatížení je rozhodující pro tahovou účinnost orební soupravy. Nadměrné přetížení však může vést k nežádoucímu zhutnění půdy. Při konvenční orbě se orající traktor pohybuje jedním kolem v brázdě a druhým kolem po záhoně. Kolo jedoucí v brázdě bývá zpravidla více zatíženo než kolo jedoucí po záhoně. Z tohoto důvodu může vznikat zhutnění v podorničí spolu s dynamickým zatížením půdy od prokluzu hnacích kol, což je považováno za vážný problém, neboť toto zhutnění přetrvává dlouhou dobu a může být hrozbou ve formě dlouhodobého snížení produktivity půdy (Hakansson I., Reeder R.C. 1994). Na základě polních měření z výzkumné práce Horn et al. a Peth et al, bylo zjištěno, že používání těžké zemědělské techniky nemusí vést k dalšímu zhutňování půdy tam, kde již existuje zhutněné podorničí. Pro zkoumání těchto jevů je vhodné použít zařízení pro monitorování silových účinků v tříbodovém závěsu, tedy mezi traktorem a agregovaným nářadím, za účelem nalezení vertikálních sil působících na nápravy a následně na jednotlivá 11

12 kola. Výsledné silové a momentové účinky v tomto závěsu výrazně ovlivňují vertikální zatížení hnacích kol spolu s přenosem hmotnosti mezi přední a zadní nápravou traktoru. Výrazný vliv na rozdíl ve vertikálním zatížení mezi pravými a levými koly traktoru hraje moment, jenž je při orbě zachycen pomocí zvedacích táhel. Zařízení, snímající síly v jednotlivých táhlech TBZ, se nazývá tenzometrický tříbodový závěs. 2.2 Faktory ovlivňující výstupní parametry orebních souprav Zpracování půdy je jedním z energeticky nejnáročnějších procesů v oblasti rostlinné výroby. Intenzita těchto operací závisí na druhu použitého nářadí, geometrii pracovních orgánů a hloubce realizované operace. Tyto a mnohé další parametry jsou úzce spojeny se spotřebovaným množstvím paliva (Loibl 2006, Schreiber et al. 2004, Jahns and Steinkampf 1982). Jeden z hlavních parametrů ovlivňujících výkonnost orebních souprav je prokluz. Ten je hlavním parametrem ovlivňující tahovou účinnost traktoru. Výsledkem je ovlivnění výkonnostních a energetických parametrů orební soupravy (Moitzi G. 2013). Další parametr ovlivňující efektivní výkonnost je pracovní záběr. Pro dosažení ekonomického provozu orební soupravy je výhodné provozovat traktorový motor v oblasti jeho maximálního točivého momentu. Jako ilustrativní příklad je vybráno polní měření realizované Moitzi G. z roku 2013, při kterém byl použit traktor s výkonem motoru 160 kw s dvěma typy návěsných pluhů lišících se v počtu orebních těles. Při orbě s pětiradličným otočným pluhem bylo dosaženo vyšší efektivní spotřeby paliva než při orbě s pluhem sedmiradličným. Zároveň při práci se sedmiradličným pluhem bylo dosaženo nižší prokluzu hnacích kol než při orbě s pluhem pětiradličným. Důvodem byl právě zmiňovaný provoz traktorového motoru v jeho ekonomickém režimu. Z těchto závěrů plyne důležitost správné volby traktorové soupravy. Tato myšlenka je podpořena dalšími faktory. Hluboká orba realizovaná při vyšších rychlostech zvyšuje požadavky na tahovou sílu traktoru, spotřebu paliva a efektivní výkonnost. S ohledem na účinnost využití energie paliva hraje optimální volba stroje a použitého traktoru důležitou roli. Výsledkem může být podstatné snížení energetické náročnosti orební soupravy (McLaughlin et al., 2008). Dalším faktorem ovlivňujícím efektivní výkonnost orební soupravy je volba převodového stupně. Ta definuje výsledné zatížení, které je na traktorový motor přenášeno. Jen tak je možné plně 12

13 využít tahové schopnosti traktoru a pracovat v ekonomickém režimu v oblasti nejvyššího točivého momentu (Grisso a Pitman 2001). Dalším z klíčových parametrů ovlivňujících výkonnost orební soupravy je rozložení zatížení na hnací kola traktoru. Při zvětšování záběru pluhu dochází k zvyšování zatížení kola jedoucího v brázdě. Díky vyššímu vertikálnímu zatížení hnacích kol se zvyšuje výkonnost orební soupravy, avšak dochází k většímu zhutnění půdy v podorničí vlivem přetížení záhonového kola. Nedotížené kolo jedoucí po záhoně pak není schopno přenášet tahovou sílu a výsledkem je navýšení dynamického zatěžování půdy pod tímto kolem (Moitzi G. 2013). Použití nesených pluhů s větším záběrem však přináší možnost využití vertikálního dotížení hnacích kol traktoru pro vyrovnání zátěže mezi záhonovým a brázdovým kolem (Bauer a kol. 2013). Klíčovou roli zde hraje nastavení tříbodového závěsu spolu s okamžitou polohou těžiště agregovaného pluhu. Tohoto jevu lze využít pro snížení rozdílu v zatížení mezi pravým a levým kolem při orbě s nesenými pluhy a také při orbě s některými pluhy návěsnými. Aby bylo možné využít totožného jevu jako u pluhů nesených, musí být návěsné pluhy vybaveny trakčním válcem. Zkoumání vlivu nastavení tříbodového závěsu na přenos vertikálního zatížení z pluhu na traktor a použití trakčního válce u návěsných pluhů je předmětem praktických experimentálních měření této dizertační práce. Všechny výše zmíněné faktory ovlivňující výstupní parametry orebních souprav mají dva společné klíčové body a těmi jsou regulace tříbodového závěsu a propojení mezi traktorem a pluhem. Správné zavěšení agregovaného nářadí spolu s vhodným nastavením regulačních systémů podstatným způsobem ovlivňuje výkonnost a kvalitu provedené práce a v neposlední řadě také spotřebu paliva, která hraje významnou roli v ekonomice provozu použité soupravy (Bauer F., Sedlák P., 2004). 2.3 Vzájemné spojení pluhu a traktoru Traktor spolu s pluhem vytváří orební soupravu, která se v rámci orby chová jako jeden celek. Vzájemné ovlivnění jednotlivých členů orební soupravy je dáno především jejich spojením, které je realizováno pomocí tříbodového závěsu traktoru. Z hlediska transportní polohy je možné rozdělit pluhy do tří kategorií. Pluhy přívěsné, nesené a návěsné. Návěsné 13

14 pluhy se též označují jako polonesené. Pro výkonnost traktorové soupravy hraje klíčovou roli přenos sil mezi hnacími koly traktoru a podložkou. Schopnost přenášet hnací sílu na podložku je možné vyjádřit prokluzem hnacích kol, jenž patří mezi parametry ovlivňující výkonnost dané soupravy. Konvenční orba spadá do kategorie agrotechnických operací s vysokou energetickou náročností, kdy je využíváno maximálního výkonu či maximálního točivého momentu traktorového motoru. Proto je z tohoto hlediska velice důležité dosáhnout co nejnižších provozních ztrát a využít tak energii obsaženou v palivu co možná nejefektivněji. Tyto ztráty jsou definovány technickým řešením energetického prostředku, mezi něž patří volba pneumatik či použitého převodového ústrojí, technické řešení pluhu a volba orebních těles ale také správné spojení mezi pluhem a traktorem. V dnešní době se ve velké míře využívá nesených či návěsných otočných pluhů (Páltik 2005, Bauer 2013). Z tohoto důvodu je tato kapitola dizertační práce věnována jejich agregaci, tedy správnému připojení k traktoru pomocí tříbodového závěsu. Samotný způsob uchycení pluhu vůči traktoru je daný konstrukčním řešením pluhu, volbou nastavení regulační hydrauliky tříbodového závěsu a požadavky na kvalitu práce při daných povětrnostních a geografických podmínkách. Způsob upnutí z hlediska možnosti napojení horního táhla a nastavení celkové geometrické konfigurace tříbodového závěsu ovlivňuje prokluz hnacích kol, stabilitu a ovladatelnost traktoru a v neposlední řadě schopnost zahlubování orebních těles pluhu do půdy (Páltik 2005, Bauer 2013). Možnosti připojení horního táhla do stojánku pluhu a k traktoru jsou vyobrazeny na obr

15 Obr. 1 Možnosti připojení horního táhla Tříbodový závěs je ve své podstatě druh prostorového zavěšení skládající se z levého a pravého dolního táhla, zvedacích ramen spolu se zvedacími táhly a horním táhlem. Tyto jednotlivé prvky jsou k rámu traktoru připojeny pomocí rotačních vazeb umožňujících tříbodovému závěsu pohyb v prostoru v určitém rozmezí. Z kinematického rozboru tohoto mechanismu v rovině bokorysu a půdorysu lze vyvodit klíčové závěry pro správné nastavení geometrie závěsu, jenž umožňuje dodržet definované agrotechnické předpoklady správné orby za současného nastavení pluhu tak, aby nevyvozoval boční síly na traktor. Mezi tyto předpoklady řadíme následující vlastnosti pluhu. Korektně agregovaný pluh nesmí vyvozovat boční síly na traktor, tedy při orbě musí přední kola setrvávat v přímém směru. Hloubka orby všech orebních těles při orbě musí být stejná. Při najetí traktoru do brázdy a následném zaorání pluhu musí být rám pluhu rovnoběžný s podložkou jak v příčné, tak i v podélné horizontální rovině (Páltik 2005, Bauer 2013). 15

16 2.3.1 Tříbodový závěs v rovině půdorysu Jednotlivá táhla tříbodového závěsu svojí geometrickou konfigurací při agregaci traktoru a pluhu definují význačný bod nacházející se v půdorysném pohledu orební soupravy. Jedná se o okamžitý střed otáčení TBZ v rovině půdorysu, který je vytvořen průsečíkem přímek tvořených dolními táhly. Takto vytvořený bod se nazývá ideální bod tahu. Pro ilustraci byl vybrán traktor v agregaci s čtyřradličným otočným neseným pluhem, u něhož byl sestrojen ideální bod tahu pomocí prodloužení spodních táhel závěsu. Grafické znázornění ideálního bodu tahu (označení T) v půdorysné rovině je vyobrazeno na obr. 2. a Obr. 2 Grafické znázornění ideálního bodu tahu Aby pluh nevyvozoval na traktor boční síly, musí spojnice vytvořená mezi ideálním bodem tahu (T) a působištěm celkového odporu pluhu (GP) protínat bod M. Bod M se nachází ve středu zadní nápravy traktoru. Okamžitý střed otáčení spodních ramen tříbodového závěsu, jenž je nazýván ideálním bodem tahu, je tvořen průsečíkem os těchto ramen (T). Poloha bodu M a spojnice mezi body T a GP hrají důležitou roli ve vzniku bočních sil vyvozených na tříbodový závěs a následně na traktor. Poloha silové výslednice (tahové linie) má významný vliv na řiditelnost, ovladatelnost a stabilitu orební soupravy (Páltik 2005, Bauer 2013). Konstrukční řešení dnešních moderních pluhů umožňuje plynule měnit pracovní záběr s ohledem na polohu ideálního bodu tahu, polohu tahové přímky a nastavení záběru prvního orebního tělesa. Při změně záběru dochází k přesunutí působiště celkového odporu pluhu GP. Z tohoto důvodu je vhodné, aby tříbodový závěs traktoru měl 16

17 možnost pohybu v bočním směru. Výsledné nastavení pak bude splňovat výše zmíněnou podmínku. Orební souprava se změnou šířky záběru je zobrazena na obr. 3. b Obr. 3 Grafické znázornění tahové linie po změně pracovního záběru Zde je patrná změna polohy spodních táhel a přemístění bodu T do nové polohy tak, aby tahová linie procházela bodem M Tříbodový závěs v rovině bokorysu Ideální bod tahu v rovině bokorysu se nachází v průsečíku prodloužení přímek horního táhla a dolních ramen tříbodového závěsu. Z hlediska zapojení horního táhla vůči stojánku pluhu a přípojných bodů na traktoru existuje vždy několik kombinací. Ideální body tahu v rovině bokorysu odpovídající třem možnostem polohy horního táhla jsou vyobrazeny na obr. 4. Obr. 4 Poloha ideálního bodu tahu v rovině bokorysu 17

18 Poloha ideálního bodu tahu z hlediska horizontální polohy je spojena s dotěžováním traktorových náprav. Pokud je bod tahu situován blíže přední nápravě (bod tahu označen T 1 ), dochází k rozdělení vertikálního zatížení mezi přední a zadní nápravou. Zadní náprava je v tomto případě méně zatížena než při poloze bodu tahu T 2 a T 3. Pokud je bod tahu situován blíže k zadní nápravě (bod tahu označen T 3 ), je následně více zatížena tato náprava. Tuto skutečnost je možné využít při cíleném dotěžování hnacích náprav, tedy při přenosu výsledných silových účinků z pluhu na traktor pomocí tříbodového závěsu. Avšak při nastavení bodu tahu do polohy T 3 dochází i při malém vyhloubení pluhu k výraznému vyhlubování zadních orebních těles. Výsledný přenos hmotnosti mezi přední a zadní nápravou pak významným způsobem ovlivňuje prokluz hnacích kol a řiditelnost traktoru. Při snížení prokluzu hnacích kol dochází k navyšování výkonnosti orební soupravy a následnému snížení efektivní spotřeby paliva. Na orební soupravu má také vliv vertikální poloha bodu tahu, která ovlivňuje její stabilitu. Doporučená vertikální poloha bodu tahu se nachází před zadní nápravou ve výšce ohraničené rovinou mezi osami přední a zadní nápravy (Páltik 2005). Mezi základní faktory ovlivňující polohu okamžitého středu otáčení tříbodového závěsu v rovině bokorysu (polohy ideálního bodu tahu) patří délka a sklon horního táhla vztažena k délce dolních táhel. Z hlediska rozboru lichoběžníkového mechanismu TBZ v rovině bokorysu je možné definovat vliv změny polohy TBZ na změně náklonu pluhu vůči traktoru. Za předpokladu konstantní délky dolních táhel dochází při zkrácení horního táhla k nárůstu zahlubovacího úhlu při zvedání TBZ. Pokud bude horní táhlo oproti předchozímu případu prodlouženo, bude změna zahlubovacího menší. Obecně tedy platí, že neseným pluhům by měl být umožněn pohyb v příčném směru. Prakticky to znamená, že by dolní táhla tříbodového závěsu traktoru nebyla spojena s rámem traktoru pomocí vymezovacích táhel, případně by byl umožněn pohyb v příčném směru napojením příčných táhel v plovoucí poloze. Následně je po zaorání pluhu dosažena poloha, která odpovídá jeho nastavení. Pokud pluh není správně nastaven, výsledná poloha tahové linie nesplní výše definované podmínky a v důsledku toho budou na traktor působit boční síly, jež způsobí jeho vybočování z přímého směru. Tato nevhodná agregace pluhu bude mít také zásadní vliv na funkci elektrohydraulické regulace, která v dnešní době 18

19 využívá snímání tahových sil v dolních táhlech. Vlivem vyosení tahové linie od středu M (obr. 4) bude tříbodový závěs zatížen dodatečným moment, jež bude mít negativní vliv na řiditelnost orební soupravy (Páltik 2005, Bauer a kol. 2013) Odpor půdy orební soupravy Na orební traktorovou soupravu při orbě působí celá řada sil. Jednou z hlavních je tahová síla potřebná k orbě určitou rychlostí. Vznikají zde silové reakce od půdy na orební tělesa agregovaného pluhu. Požadavek na velikost této tahové síly je možné vyjádřit pomocí Gorjačkinovy (1927) rovnice (1) popisující jednotlivé parametry ovlivňující její velikost. FF ZZ = (ρρ mm gg) + (kk h ww) + (εε dd bb vv 2 ) (1) Kde: F Z : tahová síla [N] g: gravitační zrychlení [m.s -2 ] m: hmotnost pluhu [kg] ρρ: součinitel tření (0,3-0,5) k: odolnost půdy vůči deformaci [N.m 2 ] h: pracovní hloubka [cm] b: pracovní záběr [m] ε: koeficient tvaru radlice a půdy [N.s 2.m -4 ] v: orební rychlost [m.s -1 ] První člen této rovnice vyjadřuje odpor pluhu vlečeného ve vyorané brázdě, který je přímo úměrný tíhové síle pluhu, jenž je charakterizována jeho hmotností a působícím gravitačním zrychlením a koeficientem odporu valení. Tento člen tedy reprezentuje valivý odpor pluhu. Součinitel tření pak závisí na typu půdy a tvaru orebních těles. Jeho hodnoty se pohybují v rozsahu 0,29 až 0,5. Jedná se o pasivní odpor pluhu při pojíždění a tento člen nezávisí na hloubce orby. Druhý člen rovnice charakterizuje odporovou sílu vznikající 19

20 rozrušováním půdy vlivem plochy záběru definovaného pracovní hloubkou orby a jejím záběrem v závislosti na měrném odporu půdy. Jedná se o užitečný odpor vynaložený na odřezávání a deformaci skývy. Měrný odpor je zde definován jako síla potřebná k obdělání jednotky plochy půdy, měřené ve svislé rovině kolmé na směr jízdy. Jedná se o nenormalizovaný vžitý název, jehož hodnota závisí nejen na složení půdy, ale svou roli zde hraje tvar a materiál použitého nástroje, zadrněnost, předešlý způsob zpracování půdy a její zaplevelenost, velikost a tvar odříznuté skývy, tvar nástroje a stav jeho břitu, rychlost působení nástroje na půdu a další. Poslední člen v uvedené rovnici udává velikost potřebné síly na uvádění skývy do pohybu a na její odhazování na stranu. Koeficient ε je závislý na tvaru pracovního povrchu orebního tělesa, vlastnostech půdy a pracovní rychlosti orební soupravy. Při rychlostech do 5 km.h -1 nedochází k významnému ovlivnění celkové tahové síly definované rovnicí 1, jelikož tvoří 4 až 5% této hodnoty. Z tohoto důvodu se při výpočtech používá tzv. zjednodušený tvar třetího členu Gorjačkinovy rovnice, který je definován vzorcem 2. (εε dd ww vv 2 ) kk 0 h bb nn (2) Kde: k 0 měrný odpor půdy [N.m -2 ] h hloubka orby [m] b šířka brázdy, záběr orebního tělesa [m] n počet orebních těles [-] Na základě těchto rovnic byl v práci G. Moitzi (2013) určen požadavek na tahovou sílu, ze kterého bylo odvozeno dynamické dotížení zadní nápravy. Tato práce byla využita k porovnání naměřených a vypočtených hodnot získaných experimentálním měřením s neseným a návěsnými pluhy realizovanými Ústavem provozu techniky automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. 20

21 2.4 Konstrukce pluhů z hlediska problematiky silových účinků v TBZ Pluhy rozdělujeme dle konstrukce pracovního ústrojí na radličkové, talířové (rotační), kombinované a speciální. Další dělení je dle způsobu obracení skývy a to na jednostranné a oboustranné. Oboustranné pluhy lze dále rozdělit na pluhy otočné, překlopné a výkyvné. Dle účelu použití dochází k rozdělení na pluhy podmítací, pro orbu a pro rigolování. Posledním základním dělením je dělení dle změny záběru. Z tohoto hlediska se pluhy dělí na pluhy s konstantním záběrem a pluhy s měnitelným záběrem, jenž může být měnitelný mechanicky či automaticky. V současné době se především využívají nesené či návěsné otočné pluhy s automatickou či mechanickou změnou záběru. Z tohoto důvodu je následující kapitola věnována konstrukčním řešením právě těchto pluhů. Pro charakter silového přenosu přes tříbodový závěs traktoru hraje významnou roli použitá konstrukce agregovaného pluhu. V závislosti na zvoleném konstrukčním řešení je pak možné využít vertikálního dotížení hnacích kol traktoru. Další možností je využití dynamického dotížení. Jedná se o částečné přenesení odporu půdy definované Gorjačkinovou rovnicí (1927), uvedenou v předchozí kapitole, působící na orební tělesa pluhu, který je následně přenesen přes tříbodový závěs traktoru na jeho rám a dále pak na jeho hnací kola. Tento dynamický přenos je také možné využít k navýšení vertikálních sil působících na traktor. Toto dynamické navýšení vertikálních sil působí na jednotlivé nápravy a ovlivňuje tak celkový přenos tahové síly z hnacích kol na podložku. Při navýšení tíhy působící na hnací nápravy dochází ke snížení prokluzu hnacích kol. Tento jev je způsoben schopností více dotížené nápravy přenášet větší tahovou sílu. Zmíněný jev působí příznivě z hlediska prokluzu, avšak se zvyšující se hodnotou vertikálního zatížení náprav dochází k navyšování hodnoty valivého odporu a možného rizika zhutnění půdy. Z tohoto hlediska je důležité porovnat vliv mezi možností navýšení vertikálních sil působících na nápravy traktoru, prokluzem a valivým odporem této traktorové soupravy. Z hlediska konstrukce pluhu je pak důležité rozpoznat, zda použité konstrukční řešení pluhu umožňuje přenášet silové a momentové reakce vznikající při orbě. 21

22 2.4.1 Konstrukce nesených otočných pluhů Základním konstrukčním prvkem nesených otočných pluhů je závěsná hlava, která je napojena přímo na tříbodový závěs traktoru odpovídající kategorie. V závěsné hlavě jsou uložena prachotěsná ložiska, která vedou nosnou hřídel napojenou na těleso osy pluhu. Další konstrukční uzly pluhu se odvíjí podle možnosti nastavování pracovního záběru. Mezi závěsnou hlavou a hlavním rámem je využito přímočarého hydromotoru, který se používá pro otáčení pluhu na souvrati a při nastavení pluhu do přepravní a pracovní polohy. Přímočarý hydromotor může být na jedné straně napojen v horní části závěsné hlavy a na straně druhé pak excentricky uložen na těle osy. Otočné pluhy bývají vybaveny paměťovým válcem, který zabezpečuje udržení totožného záběru po otočení pluhu z jedné pracovní polohy do druhé. Uložení nosné hřídele tělesa osy pluhu v otočné hlavě je znázorněno na obr. 5. Obr. 5 Otočná hlava neseného otočného pluhu (Opall Agri s.r.o, 2015) Nesený otočný pluh s manuálním nastavováním pracovního záběru U tohoto typu pluhů bývá hlavní rám vyroben z jednoho kusu profilu. Na něj se následně napojují slupice s orebními tělesy, popřípadě je toto tělo hlavního rámu vyrobeno z několika segmentů spojených pomocí šroubových spojů umožňujících nadstavení či zkrácení hlavního rámu za účelem upravování počtu orebních těles. Dalším klíčovým 22

23 prvkem neseného otočného pluhu je opěrné kolo, které slouží k vedení pluhu a udržování nastavené hloubky orby. Z hlediska přenosu sil na tříbodový závěs hraje opěrné kolo významnou roli. Úprava pracovního záběru je pak realizována pomocí přestavitelného mechanismu umístěného mezi rámem a upínací hlavou definující výsledný úhel rámu vůči této hlavě. Dalším krokem je manuální přestavení orebních těles přesazením slupic pomocí šroubových spojů umístěných v rámu pluhu. Čtyřradličný otočný nesený pluh je zobrazen na obr. 6. Obr. 6 Čtyřradličný otočný nesený pluh Farmet Vidium N Nesený otočný pluh s plynulou změnou pracovního záběru V případě, že je možné u pluhu plynule nastavovat pracovní záběr, bývá do jeho konstrukce začleněn pákový mechanismus spolu s kinematickou vazbou ve formě vertikálního kloubu. Ten se nachází mezi hlavním rámem a tříbodovým závěsem pluhu. Dalším prvkem odlišujícím konstrukci pluhu s manuálním nastavováním pracovního záběru je hydraulický válec, který se stará o plynulou změnu úhlu mezi rámem pluhu a jeho 23

24 upínací hlavou. Toto řešení umožňuje naklápění hlavního rámu vůči závěsné hlavě a vůči podélné rovině traktoru. Změna úhlu zprostředkovává změnu pracovního záběru, nebo nastavení zarovnání pluhu z transportní polohy do polohy pracovní. Pokud je tento pohyb využit pro změnu nastavení pracovního záběru, je nutné přenastavit polohu slupic na hlavním rámu. Toto se děje automaticky pomocí změny natočení kloubu okolo vertikální osy s následným natáčením orebních těles pomocí pákového mechanismu či paralelogramu. Změna je převedena na natočení slupic upnutých k hlavnímu rámu pomocí čepů umožňující jejich výkyv. Spojení jednotlivých slupic pomocí pákového mechanismu je zobrazeno na obr. 7. Jedná se o pětiradličný nesený pluh s hydraulickým nastavováním pracovního záběru Lemken Juwel 8. Obr. 7 Nesený otočný pluh s možností změny pracovního záběru Lemken Juwel 8 Ve všech výše uvedených případech dochází po nastavení konkrétní hodnoty pracovní hloubky a pracovního záběru k zablokování všech pohybů pomocí uzamknutí hydraulického okruhu. Otočná hlava spolu s hlavním rámem pak tvoří jeden pevný celek, napojený na tříbodový závěs. Tato soustava pak umožňuje přenášet silové a momentové zatížení působící při orbě na orební tělesa, rám pluhu, otočnou hlavu přes tříbodový závěs na traktor jak okolo vertikální, tak i okolo horizontální osy. V závislosti na nastavení 24

25 geometrie tříbodového závěsu je pak možné dosáhnout navýšení vertikálních sil působících na hnací nápravy traktoru a využít tzv. statického a dynamického dotížení hnacích kol traktoru s využitím podélného a příčného vyosení těžiště pluhu Konstrukce návěsných otočných pluhů V dnešní době jsou návěsné otočné pluhy spojovány s tříbodovým závěsem přes upínací tříbodový závěs pluhu, napojený pomocí čepů na levé a pravé straně dolních táhel a táhlem horním. Mezi hlavním rámem a tříbodovým závěsem pluhu je pak použito mechanismu, umožňující vertikální a horizontální otočný pohyb. Jedná se o svislý a vodorovný kloub, který umožňuje natáčení pluhu vůči traktoru při otáčení na souvrati (svislý kloub). Pro nastavování hloubky prvního orebního tělesa je využito kloubu vodorovného. Pro otáčení hlavního rámu vůči podvozkovému rámu je využito dvou lineárních hydromotorů. Lineární hydromotory jsou upnuty k hlavnímu rámu na straně jedné a k rámu podvozku na straně druhé. Na podvozkový rám je připevněna náprava s přepravním kolem, která je uložena vůči podvozkovému rámu výkyvně. Pro udržování hloubky orby dalších orebních těles je využito tohoto kola. Toto opěrné kolo je také využíváno při transportu, kdy část zatížení od hmotnosti pluhu připadá právě na toto kolo a zbylá část zatížení je nesena tříbodovým závěsem traktoru. Z tohoto principu dělení hmotnosti vznikl název návěsný neboli polonesený pluh (Páltik a kol. 2005). Konstrukce návěsných otočných pluhů umožňuje změnu jejich záběru. Tak jako tomu bylo u pluhů nesených, i zde je změna záběru realizována mechanicky nebo hydraulicky. Návěsný šestiradličný pluh se svislým a vodorovným kloubem za tříbodovým závěsem pluhu s vyznačenými osami otáčení je zobrazen na obr

26 Obr. 8 Návěsný otočný šestiradličný pluh Z hlediska kinematiky použitého svislého a vodorovného kloubu umožňuje toto řešení přenášet moment působící okolo podélné osy pluhu (obr 8. osa X) a také tahovou sílu traktoru zprostředkovanou tříbodovým závěsem. Použití horizontálního kloubu (kloub s osou otáčení okolo osy Y) však znemožňuje využití dynamického a statického dotížení hnací nápravy umožňující navýšení vertikálních sil působících na traktor od tíhy pluhu a silové výslednice orby, jelikož není možné přenášet těmito klouby momenty působící okolo horizontální a vertikální osy (obr. 8 horizontální osa Y a vertikální osa Z). Z tohoto důvodu se u návěsných otočných pluhů objevuje konstrukční řešení využívající lineární hydromotor označovaný též jako trakční válec, který spojuje upínací závěs a část rámu za vodorovným kloubem (Pöttinger Servo 6.50, 2015) Návěsný otočný pluh s trakčním válcem Konstrukční řešení návěsného otočného pluhu s trakčním válcem je totožné s konstrukčním řešením uvedeným v předešlé podkapitole, doplněné o trakční válec. Jedná se o lineární jednočinný hydromotor, umístěný mezi horizontálním kloubem (otáčení okol osy Y) za tříbodovým závěsem pluhu. Z kinematického hlediska se jedná o vazbu, která umožňuje pružné vymezení horizontálního kloubu, a tím umožní přenášení momentu 26

27 působícího okol jeho osy. Do trakčního válce je přepuštěn tlak z vnějšího okruhu traktoru, který definuje výsledné předepnutí. Začlenění vzdušníků do hydraulického okruhu trakčního válce umožňuje kopírování nerovností za současného tlumení pulzací, které při orbě vznikají. Nynější řešení hydraulických zásobníků je výrobcem limitováno na plnicí hydraulický tlak o hodnotě 15 MPa. Návěsný otočný pluh vybavený trakčním válcem je zobrazen na obr. 9. Y Obr. 9 Návěsný otočný pluh vybavený trakčním válcem Při použití tohoto konstrukčního prvku dochází k přenosu sil a momentů vznikajících od vektoru odporových sil a vektoru tíhové síly návěsného pluhu. Do zásobníku tlaku umístěného v hydraulickém okruhu trakčního válce je přepuštěn tlakový olej, který vytváří definované předpětí v tomto hydromotoru. Z hlediska konstrukce zásobníku tlaku pak dochází k přenosu tíhy z návěsného pluhu na zadní nápravu traktoru, což vede ke snížení prokluzu hnacích kol (G. Moitzi 2013, Pöttinger SERVO ). 27

28 2.5 Teorie přenosu sil v tříbodovém závěsu při orbě Praktická část práce je věnována zkoumáním vlivu nastavení geometrie tříbodového závěsu v závislosti na přenosu zatížení z neseného a návěsného pluhu na traktor. Zkoumaný jev umožňuje využití hmotnosti agregovaného nářadí a sil na něj působících pro navýšení vertikálních sil k dotížení hnacích kol traktoru. Dalším aspektem z hlediska příčné polohy těžiště je možnost snížení rozdílného zatížení mezi brázdovým a záhonovým kolem způsobeným nakloněním traktoru při orbě. Při orbě vpravo jede pravé zadní a pravé přední kolo v brázdě a levé zadní a přední kolo po záhoně. Tíhová síla působící v těžišti traktoru pak dotěžuje více kolo jedoucí v brázdě. Při orbě vlevo pak dochází ke změně náklonu traktoru a jsou tak více zatížena kola na levé straně. Z hlediska přenosu zatížení přes tříbodový závěs je pak možné sledovat dva charaktery přenosu, které ve výsledku ovlivňují celkové rozložení zatížení jednotlivých kol traktoru. Mezi první způsob lze zařadit statický přenos zatížení. Tento přenos zatížení je vyvozen tíhovou silou neseného nářadí a jeho velikost je úzce spojena s podélnou a příčnou polohou jeho těžiště. Na tříbodový závěs pak působí síly a momenty vytvořené touto tíhovou silou a ve výsledku jsou na základě velikosti tíhové síly ovlivněny velkosti vertikálních sil působících na hnací kola. Klíčovým bodem pro výsledný přenos hmotnosti ať už z přední nápravy na nápravu zadní, či při stranovém rozložení hmotnosti, je použití přídavného závaží na traktoru spolu s nastavením geometrie tříbodového závěsu. Druhý typ silového přenosu je pak přenos dynamický, kdy dochází k vzniku sil působících na agregované nářadí vlivem pohybu tohoto nářadí v půdě. V závislosti na poloze a směru silové výslednice dochází k přenosu momentů a sil přes tříbodový závěs traktoru na jeho hnací kola. Velikost, poloha působiště a směr této silové výslednice je definován mnoha proměnlivými faktory, mezi něž patří složení půdy a její mechanické vlastnosti, technické řešení použitého nářadí a jeho tíhou spolu s dalšími parametry. Z hlediska přenosu sil z agregovaného nářadí přes tříbodový závěs na traktor je možné sledovat vliv nastavení geometrie TBZ na velikost působících sil, nimiž jsou hnací kola zatěžována. Velikost a smysl přenášených sil a momentů pomocí tříbodového závěsu jsou ovlivněny konstrukcí agregovaného pluhu a to převážně opěrnými koly či kloubovými vazbami, jež se na nesených a návěsných pluzích nacházejí (Páltik a kol. 2005, Vinogradov O. 2000, Houfek L. 2001). 28

29 2.5.1 Vliv podélné a příčné polohy těžiště pluhu Statické navyšování vertikálních sil působících na hnací kola traktoru je spojeno s příčnou a podélnou polohou těžiště neseného nářadí, která přináší možnost přenášení vertikálních sil připadajících na přední a zadní nápravu, nebo pro snižování rozdílu v zatížení mezi levou a pravou stranou traktoru Základní proměnnou při přenosu zatížení z přední nápravy na nápravu zadní je podélná poloha těžiště agregovaného pluhu. Moment od tíhové síly zachycený tříbodovým závěsem roste se vzdáleností (x+c). Podélné vyosení těžiště agregovaného nářadí je zobrazeno na obr. 10. F G [N] F Z+ X x c b a F ZNZ [N] F PNZ [N] Obr. 10 Podélná poloha těžiště traktoru a neseného nářadí Tíhová síla agregovaného nářadí F Z+X vyvodí moment, jenž bude zachycen tříbodovým závěsem. Se zvyšující se silou F Z+X či vzdáleností (x + c) bude narůstat síla v horním táhle tříbodového závěsu a bude docházet k odlehčování přední nápravy za současného přenášení tíhy na nápravu zadní. V tomto případě není uvažováno příčné vyosení těžiště agregovaného nářadí. Toto odpovídá agregaci nářadí, které má symetricky rozloženou hmotnost vůči jejich středové rovině. Síly ve zvedacích táhlech budou stejně velké s totožným směrem působení. Významné ovlivnění přenosu síly bude mít poloha přípojného bodu horního táhla na traktoru a na stojánku agregovaného nářadí, definující výslednou polohu a sklon horního táhla. Sklon horního táhla pak definuje velikost síly vyvozující odlehčení přední a dotížení zadní nápravy. Příčné vyosení tíhové síly neseného nářadí umožňuje zachycení takto vznikajícího momentu pomocí zvedacích táhel 29

30 tříbodového závěsu traktoru. Výsledný moment dotíží kolo, které je blíže tomuto vyosení. V závislosti na příčné polohy těžiště a velikosti tíhové síly působící v tomto bodě je možné odvodit velikost takto vznikajícího momentu. Na obr. 11 je schematicky zobrazeno silové působení vertikální síly F Z+Y a F Z-Y. TT - vyosení F G [N] F Z+Y [N] F Z-Y [N] +Y [mm] -Y [mm] F LSZ [N] d F PSZ [N] Obr. 11 Příčná poloha těžiště traktoru a neseného nářadí Suma sil působících na levá kola traktoru jsou označena F LSZ, síly působící na pravá kola traktoru pak F PSZ. Toto schéma také zachycuje charakteristické vyosení polohy těžiště traktoru vůči jeho středové rovině v záporném směru souřadnice osy Y. Pokud neuvažujeme zapojení opěrného kola do silového přenosu, celková tíha působící v těžišti zatěžuje zvedací táhla momentem definovaným její velikostí a vzdáleností od středu dolních táhel TBZ. Změna příčné polohy těžiště agregovaného nářadí (např. jejím otočením na souvrati) bude způsobovat vytvoření výše definovaného momentu. Tyto stavy nastávají při využití otočných pluhů při orbě. Těžiště pluhu v tomto případě mění svou příčnou polohu vůči traktoru. Podélná poloha v pracovní pozici pluhů zůstává totožná. Výše popsané přenosy sil neuvažovaly využití opěrného kola, kdy dochází k dodatečnému rozložení vertikálních sil mezi tříbodový závěs traktoru a opěrného kola pluhu (Vinogradov O. 2000, Houfek L. 2001). 30

31 2.5.2 Vliv opěrného kola pluhu Z analýzy silového působení při podélném i příčném vyosení polohy těžiště agregovaného pluhu lze vyvodit určité závěry. Důležitou roli při rozložení sil bude hrát zapojení opěrného kola do silového přenosu. Zde mohou nastat tři základní stavy. První stav, kdy na opěrné kolo nebude působit žádná výsledná vertikální síla, reprezentuje kompletní přenos tíhy neseného nářadí na traktor. Při tomto nastavení tříbodového závěsu bude tíha agregovaného pluhu způsobovat maximální momenty od statického zatížení. Výsledkem bude přenos hmotnosti z přední nápravy traktoru na nápravu zadní a současné stranové rozložení hmotnosti, které je výsledkem příčného vyosení těžiště pluhu. V případech, kdy je nářadí neseno bez využití opěrného kola, hraje důležitou roli vhodné dotížení traktoru pomocí přídavného závaží. To je možné umístit do předních kol či do předního tříbodového závěsu traktoru. Z hlediska příčného vyosení těžiště neseného nářadí bude vznikat moment, jenž bude zachycen levým a pravým zvedacím táhlem. Tento moment pak bude významně ovlivňovat silové rozložení mezi levou a pravou stranou traktoru. Z hlediska silového působení bude v horním táhle působit výrazná tahová síla (Vinogradov O. 2000, Houfek L. 2001). Obr. 12 zachycuje orbu vpravo, při které se opěrné kolo pluhu pohybuje volně po záhoně. V tomto případě opěrné kolo nezachycuje vertikální sílu od těžiště pluhu a výsledkem je výrazné zatížení tříbodového závěsu momentem a tahovou silou v horním táhle. 31

32 Obr. 12 Volně pohybující se opěrné kolo horní táhlo předepnuté Druhý stav je definován částečným rozložením zatížení mezi tříbodovým závěsem a opěrným kolem pluhu. V tomto případě budou působící momenty od tíhové síly zatěžovat opěrné kolo pluhu a také tříbodový závěs traktoru. Výsledné zatížení tříbodového závěsu bude ovlivněno vertikální silou působící na opěrné kolo v opačném smyslu, než je smysl působení síly tíhové. Následkem bude snížení velikosti výsledných momentů a působících sil v tříbodovém závěsu. Z hlediska silového zatížení bude tomuto stavu odpovídat střední zatížení horního táhla (Vinogradov O. 2000, Houfek L. 2001). Třetím stavem je stav, kdy je opěrné kolo maximálně zatíženo tíhovou silou agregovaného nářadí. Z hlediska síly působící v tříbodovém závěsu bude možné sledovat nízké tahové popřípadě i tlakové působení v jeho horním táhle. Toto je způsobeno zachycením vertikální síly od tíhy agregovaného pluhu pomocí opěrného kola a zvedacích táhel TBZ. Nebude docházet k výraznému přenosu zatížení z přední nápravy na nápravu zadní, jelikož hlavní podíl na tomto přenosu hmotnosti hraje velikost působící síly v horním táhle. Z hlediska silového zatížení tříbodového závěsu budou reakční momenty zachyceny pomocí zvedacích táhel, které budou vyvozovat rozdíl v adhezním zatížení levé a pravé strany kol traktoru. Smysl výsledného působení sil bude ovlivněno polohou těžiště pluhu a 32

33 pozicí opěrného kola. (Vinogradov O. 2000, Houfek L. 2001). Tento stav je zachycen na obr. 13. Obr. 13 Opěrné kolo pluhu zatíženo vertikální silou - horní táhlo volné Opěrné kolo pluhu je v tomto případě zatíženo vertikální silou od tíhy pluhu. Současně opěrné kolo zachycuje vertikální složku síly od orebního odporu. Horní táhlo se v podélné drážce pohybuje volně. V tomto případě nedochází k přenosu hmotnosti z přední nápravy na nápravu zadní vlivem působení síly v horním táhle. 33

34 2.6 Regulace tříbodového závěsu Traktor, jakožto zemědělský stroj, byl navržen za účelem agregace neseného či návěsného nářadí i pro práci v dopravě. Historicky byly převážnou většinou těchto agregovaných nářadí pluhy. S nahrazením zvířecí síly tahovou silou traktoru bylo možné orat rychleji a efektivněji. Tento fakt patřil mezi nejdůležitější faktory pro rozvoj mechanizace v zemědělství. První tříbodový závěs byl představen Harry Fergusonem roku 1925, jeho řešení bylo později standardizováno a používá se dodnes. Jak již bylo zmíněno, orba se řadí do kategorie polních operací s vysokými požadavky na energetickou náročnost. Klíčový přínos pro zlepšení tahových vlastností traktoru byl v nalezení skutečnosti, že je možné snížit prokluz kol a zvýšit tahovou sílu traktoru pomocí navýšení vertikálních sil působících na hnací kola. Toto bylo realizováno pomocí přídavného závaží nebo procesem přenosu hmotnosti z taženého nářadí na hnací kola traktoru přes tříbodový závěs. Z těchto závěrů vyplývá, že agregované nářadí nemůže být udržováno v pevné poloze vůči traktoru z důvodů kolísání pracovní hloubky způsobené nerovným povrchem. Z těchto důvodů byl vytvořen variabilní systém, který reagoval na měnící se podmínky a následně operoval s polohou neseného nářadí. Mezi základní parametry vstupující do kontrolního systému regulace tříbodového závěsu dříve patřily tahové síly v jednotlivých táhlech tříbodového závěsu, krouticí moment hnací nápravy, pracovní hloubka nebo tlak v lineárním hydraulickém motoru. Historicky byly všechny tyto možnosti použity jakožto řídící parametry kontrolního systému, ovšem regulační systém Harryho Fergusona, jenž pro regulaci využíval velikost tahové síly snímané v tříbodovém závěsu, se ujal a je používán dodnes (Hesse H. 2001, Ferguson H. G. 1925). Tříbodový závěs traktoru je obecně kontrolován nepřímou metodou, jež umožňuje nastavit silovou, polohovou nebo smíšenou regulaci. Historicky se studiemi a vývojem regulačního systému tříbodového závěsu při orbě zabývala celá řada autorů (Hobbs and Bergene 1980, Dobrinska et al. 1981, Satoh et al. 1985, Boe and Bergene 1989 a Ayers et al. 1989). V dnešní době se regulace tříbodového závěsu dělí do dvou skupin. První, historicky starší, je mechanickohydraulická regulace, která využívá snímání polohy či velikosti působící síly v tříbodovém závěsu pomocí sofistikovaných mechanismů. Tyto mechanismy jsou složeny do řetězců, které dále operují s přestavováním hydraulického šoupátka lineárního hydromotoru a na 34

35 základě snímaných veličin a nastaveného typu regulace nepřímo přestavují polohou neseného nářadí. Tento koncept je využíván převážně u traktorů nižších výkonových tříd a je postupně vytlačován elektronickou regulací, jež definuje druhou skupinu. Elektronická regulace, při které je využíváno elektronických snímačů pro monitorování polohy, působící síly nebo tlaku v lineárním hydromotoru, je používána u traktorů vyšších výkonových tříd. S využitím dalších snímačů pak poskytuje rozšíření silové, polohové a smíšené regulace o další prvky, které vylepšují kvalitu provedené práce a zvyšují také její produktivitu. 35

36 2.6.1 Elektrohydraulická regulace tříbodového závěsu BOSCH Moderní koncepce tříbodového závěsu dnešních traktorů využívá sérii snímačů pro sledování klíčových parametrů pro správnou funkci elektrohydraulické regulace. Traktor spolu s použitými snímači a jejich polohou na traktoru je zobrazen na obr 14. Obr. 14 Schéma použitých senzorů elektrohydraulické regulace (BOSCH EHR,2012) 1 Hydraulické čerpadlo 2 Kontrolní ventil zadního TBZ 3 Kontrolní ventil předního TBZ 4 Radarový snímač rychlosti 5 Senzor otáček kol 6 Snímač tahové síly zadní TBZ 7 Snímač tlaku 8 Přímočarý hydromotor 9 Senzor polohy TBZ 10 Panel ovládání zadního TBZ 11 Panel ovládání předního TBZ 12 Elektronická řídící jednotka 13 Vnější panel ovládání TBZ 14 Snímač tahové síly - přední TBZ 15 Induktivní sensor polohy TBZ Základním prvkem elektrohydraulické regulace je hydraulický okruh tvořený zásobníkem oleje. Hydraulické čerpadlo z něj napájí hlavní řídící ventily, které řídí dílčí 36

37 okruhy zvláště pro přední a zadní tříbodový závěs. Tyto ventily na základě vstupních dat poskytnutých řídící jednotkou operují s předním či zadním tříbodovým závěsem traktoru přes přímočaré hydromotory. Pro zvedání či spouštění ramen závěsu či nastavení citlivosti a režimu regulace je v kabině traktoru umístěn ovládací panel. Pomocí něj je možné ovládat přední tříbodový závěs (pokud je jím traktor vybaven) a zadní tříbodový závěs, nastavovat regulační systémy a ovládat vnější okruh hydrauliky. Snímání aktuální polohy neseného či návěsného nářadí je realizováno pomocí induktivního snímače polohy, jenž se pohybuje po tvarové ploše, která nese informaci ve formě změny zdvihu snímače v závislosti na aktuální poloze tříbodového závěsu. Při pohybu traktoru dochází ke snímání otáček kol, tedy k určování teoretické rychlosti traktoru. Dále je za pomoci radarového snímače určována skutečná rychlost traktoru. Tyto dva parametry jsou následně porovnány v řídící jednotce a na základě teoretické a skutečné rychlosti je vypočten rozdíl, jenž odpovídá prokluzu kol, který je dále využíván jako řídící veličina pro konkrétní typ elektrohydraulické regulace. Pro snímání sil působících v TBZ je traktor vybaven tenzometrické čepy. Tenzometrické snímače se nachází v čepech dolních táhel traktoru. Snímaná síla je transformována na výstupní napětí. Naměřené napětí nese informaci o velikosti působící síly v těchto čepech. Elektronický signál je dále veden do řídící jednotky a následně slouží jako řídící veličiny pro regulaci tříbodového závěsu. Základem EHR systému je hydrogenerátor, generující tlakový olej vnitřního okruhu hydrauliky. Rozvod tlakového oleje je ovládán elektromagnetickým ventilem. Elektromagnetický ventil dále ovládá přímočarý hydromotor tříbodového závěsu, jež umožňuje tříbodový závěs spouštět, zvedat a držet v definované poloze. Při aktivaci elektronické regulace pomocí kontrolního panelu dostává řídící jednotka vstupní nastavení od obsluhy traktoru. Na základě vyhodnocování vstupních signálů ze senzorů je pak tříbodový závěs přestaven do požadované polohy či režimu. Regulační odchylka vyplývá z porovnání zadaných hodnot na kontrolním panelu se skutečnými podmínkami, jež jsou snímány senzorem skutečné rychlosti, teoretické rychlosti, senzorem polohy tříbodového závěsu, tenzometrickými čepy a senzorem tlaku v hydraulickém válci. Pomocí tohoto řetězce je možné realizovat všech osm režimů regulace tříbodového závěsu (BOSCH EHR, 2012). 37

38 Tenzometrický čep Snímání zatížení v tříbodovém závěsu pomocí tenzometrických snímačů bylo poprvé představeno na závěsu traktoru Massey-Ferguson v USA v roce Systém označovaný EHR a vyvinutý společností Roberta Bosche v Německu využívá tenzometrické snímače uložené v čepech dolních táhel pro snímání tahové síly. Tenzometrické snímače BOSCH se nachází mezi traktorem a spodními rameny tříbodového závěsu a tvoří tak ložiskové čepy těchto ramen. Princip funkce činnosti tenzometrického čepu je založen na magnetoelastickém jevu. Čep je napájen provozním napětím z elektrické sítě traktoru. Při nulovém zatížení je v čepu vytvořeno symetrické magnetické pole. Toto magnetické pole je vytvořeno mezi póly primární cívky. Při vzniku smykového napětí, vyvolaného zatížením v tříbodovém závěsu, dochází ke změně magnetických vlastností původně izotropního materiálu, z něhož jsou čepy vyrobeny. Toto napětí vyvolá vznik asymetrického magnetického pole. Symetrické pole odpovídá nulové zátěži dolních táhel. Asymetrické pole je vytvořené po zatížení tenzometrických čepů silovým působením. Znázornění symetrického a asymetrického pole spolu se schématem uložení primární a sekundární cívky tenzometrického čepu je vyobrazeno na obr. 15. Obr. 15 Schéma rozmístění cívek a grafické znázornění změny magnetického pole a) symetrické magnetické pole b) asymetrické magnetické pole (BOSCH EHR, 2012) Mezi primární a sekundární cívkou se objeví změna potenciálu magnetické diference a na základě elektromagnetické indukce se na sekundární cívce začne indukovat napětí. Toto napětí, jenž proporcionálně odpovídá působící síle, je dále zesíleno a rektifikováno v integrovaném vyhodnocovacím obvodu (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol., 2013). 38

39 Snímač polohy Pro elektronické snímání polohy tříbodového závěsu je využito induktivního snímače polohy. Těleso snímače, které kopíruje hlavní vačku umístěnou na ramenech zvedacího ústrojí, je předepnuto pomocí pružiny. Induktivní snímač polohy funguje na základě principu snímání diferenciální změny polohy jádra. Pro eliminaci vlivu tepelné roztažnosti jádra snímače je tento snímač vybaven integrovanou elektronikou odstraňující tento vliv. Snímač polohy je zobrazen na obr. 16 (BOSCH EHR 2012). Obr. 16 Umístění snímače polohy (vlevo) a jeho závislost výstupního napětí na poloze (vpravo) (BOSCH EHR, 2012) 39

40 Ovládací panel Základním ovládacím prvkem pro obsluhu je kontrolní panel elektrohydraulické regulace, který je vyobrazen na obr Obr. 17 Kontrolní panel systému EHR BOSCH (BOSCH EHR,2012) Ovládací panel systému EHR umožňuje nastavovat různé pracovní režimy a ovládat tříbodový závěs. Přepínač pod označením 1 slouží k uzamčení ovládání, tak aby nebylo možné náhodnou manipulací operovat s nastavením a polohou tříbodového závěsu. Pomocí ovladače 2 je pak možné nastavit silovou, polohovou či smíšenou regulaci, kdy krajní poloha odpovídá silové regulaci (plně vlevo) a následně polohové regulaci (plně vpravo). Pokud bude ovladač 2 umístěn mezi krajními polohami, dojde k nastavení smíšené regulace, jejíž procentuální složení ze silové a polohové regulace bude odpovídat aktuální poloze přepínače. Pokud bude páka 2 přemístěna do první polohy, dojde ke zvedání tříbodového závěsu. Druhá poloha páky 2 zastaví aktuální zvedání či spouštění. Třetí poloha pak umožní spouštění tříbodového závěsu. Pokud je závěs v pohybu, dojde k signalizaci pomocí kontrolky nacházející se vedle symbolu ramen pod označením 3. Display pod označením 6 spolu s ovládacími tlačítky umožňuje digitálně zvolit pracovní hloubku nářadí, maximální výšku při zvedání či další klíčové polohy souvraťového managementu. Při poruše systému pak dojde k rozsvícení kontrolky 5. 40

41 2.6.2 Typy elektrohydraulické regulace Pomocí hlavního panelu je možné nastavit různé typy elektrohydraulické regulace, které pomáhají udržet kvalitu prováděné práce, snižovat nároky na pozornost a vytížení obsluhy, efektivně využívat výkon motoru a v jistých režimech pomáhat v řiditelnosti a bezpečném provozu traktorové soupravy Silová regulace Po přesunutí páky 2 ovládacího panelu (obr. 17) do krajní polohy proti směru hodinových ručiček a následného otočení potenciometru 4 do krajní polohy proti směru hodinových ručiček, dojde k aktivaci silové regulace. V tomto režimu se kontrolní proměnnou stává síla působící v tříbodovém závěsu generovaná agregovaným nářadím. Snahou elektrohydraulické regulace je udržení konstantní síly s možností vyhloubení či zahloubení pluhu. V případě zpracování utužené půdy, kdy dochází k navyšování působících sil na nářadí, bude toto nářadí vyhloubeno ze své pracovní pozice na základě signálu získaného z tenzometrických čepů umístěných v dolních táhlech tříbodového závěsu. Řídící jednotka zpracuje elektronický signál odpovídající silové zátěži a následně předá požadavek řídicímu rozvaděči, který pomocí přepuštění hydraulického tlaku přizvedne píst hlavního hydraulického válce a tím vyhloubí agregované nářadí. Udržení konstantní síly je realizováno pomocí změny hloubky realizované operace. V opačném případě, tedy když dojde k zpracovávání půdy s nižším odporem, bude umožněno zahloubení agregovaného nářadí, které přinese navýšení tahové síly působící na tenzometrické snímače. Potenciometrem 3 je pak možné nastavovat rychlost této odezvy. Schematicky je funkce silové regulace zobrazena na obr. 18, kde se pluh pohybuje v půdě s rovnoměrným odporem. Při najetí pluhu do zhutnění dojde k jeho vyhloubení za účelem zachování konstantní tahové síly F t (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013). 41

42 Homogenní půda Zhutněná půda Obr. 18 Schéma silové regulace konstantní tahová síla Polohová regulace Po přesunutí páky 2 ovládacího panelu (obr. 17) do krajní polohy proti směru hodinových ručiček a následného otočení potenciometru 4 do krajní polohy po směru hodinových ručiček, dojde k aktivaci polohové regulace. Sledovanou proměnnou je v tomto případě poloha tříbodového závěsu snímaná pomocí induktivního snímače polohy. Poloha tříbodového závěsu je snímána přes vačku umístěnou na ramenech zvedacího ústrojí a následně převáděna do elektronického signálu pro řídící jednotku EHR. Tahová síla vyvozovaná z agregovaného nářadí na traktor v tomto případě nezasahuje do regulačního procesu. Schematický průběh tahové síly je zobrazen na obr

43 Homogenní půda Zhutněná půda Obr. 19 Schéma polohové regulace konstantní poloha nářadí Při najetí pluhu do zhutněné půdy, naroste odporová síla. Elektrohydraulická regulace nereaguje na navyšující se odporovou sílu, jelikož je silová regulace vypnuta. Dojde-li však ke změně polohy tříbodového závěsu, změna je vyhodnocena pomocí řídící jednotky. Ta elektronicky ovládá hydraulický rozvaděč, přes který je do lineárního hydromotoru dopraveno potřebné množství oleje a agregované nářadí je zvednuto do polohy při která byla polohová regulace nastavena (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013) Smíšená regulace Po přesunutí páky 2 ovládacího panelu (obr. 17) do krajní polohy proti směru hodinových ručiček a následného otočení potenciometru 4 do příslušené, bude aktivována smíšená regulace. V tomto režimu fungují dva výše uvedené regulační režimy společně. V závislosti na volbě polohy potenciometru mezi silovou a polohovou regulací je zvoleno procentuální zastoupení příslušné regulace. Obr. 20 znázorňuje použití smíšené regulace při orbě. Pokud se pluh dostane do hutnější půdy, dojde na základě elektronických impulzů v dolních táhlech k vyhloubení pluhu. Činnost silové regulace je však regulována 43

44 polohovou regulací, která při dosažení krajní polohy tříbodového závěsu zabrání v dalším vyhlubování. Výsledkem smíšené regulace je snaha udržet konstantní tahovou sílu v definovaném rozsahu pracovních hloubek. Při dosažení krajní hloubky nebude brán zřetel na zvyšující se odporovou sílu. V případě, kdy se pluh dostane do půdy s nízkým odporem, bude mu umožněno zahloubení. Zahlubování pluhu je způsobeno správným nastavením geometrie pluhu a tříbodového závěsu. Zahlubování pokračuje do té doby, než se poloha tříbodového závěsu dostane na pozici regulovanou polohovou regulací. Výsledkem smíšené regulace je skutečnost, že při vyhlubování pluhu za účelem dosažení konstantní tahové síly se pluh vyhloubí o menší hodnotu než při použití silové regulace (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013). Homogenní půda Zhutněná půda Obr. 20 Schéma smíšené regulace kombinace silové a polohové regulace Tlumení kmitů při transportu Při transportu nesených strojů či nástrojů vznikají od nerovností povrchu kmity. Dochází zde k dynamickému přenášení hmotnosti z přední nápravy na nápravu zadní. Toto nežádoucí odlehčení přední nápravy ovlivňuje řiditelnost celé soupravy a v limitních 44

45 případech může dojít ke ztrátě řiditelnosti a tím i k ovlivnění bezpečnosti provozu na pozemních komunikacích. Z tohoto důvodu je elektrohydraulická regulace vybavena režimem tlumení kmitů. Cílem této regulace je udržení nářadí v transportní výšce a současné tlumení kmitů způsobujících odlehčení přední nápravy. Pro funkci tlumení kmitů jsou sledovanými parametry síla v dolních táhlech snímaná tenzometrickými čepy a poloha tříbodového závěsu sledovaná pomocí induktivního snímače polohy. Sledované parametry jsou předány v elektronické formě řídící jednotce systému EHR, které zprostředkovává signál a řídí kontrolní ventil za účelem přizvednutí a spuštění tříbodového závěsu okolo transportní polohy. Při tomto režimu není poloha tříbodového závěsu fixní, nýbrž je ovládána řídící jednotkou EHR tak, aby docházelo k snižování efektu dynamického přenosu hmotnosti mezi nápravami. Hlavními výhodami použití režimu tlumení kmitů je zajištění větší bezpečnosti jízdy spolu s možností zvýšení transportní rychlosti s nižším dynamickým namáháním celého traktoru. Z hlediska obsluhy je zajištěn vyšší jízdní komfort a v neposlední řadě je dosaženo stabilizace absolutní výšky nářadí nad zemí (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013) Regulace prokluzu V případech, kdy se traktorová souprava pohybuje po poli se zvýšenou vlhkostí půdy a dochází ke zvýšenému prokluzu hnacích kol, nemusí silová regulace reagovat na nastalou situaci. Síly působící mezi traktorem a agregovaným nářadím se v tomto případě nemusí měnit. Ve výsledku nebude silová regulace zasahovat a traktor bude ztrácet rychlost a v mezním případě může i zastavit. Pro eliminaci popsaného jevu je možné využít regulaci na mezi prokluzu. Při tomto režimu se do regulačního procesu EHR zapojí senzor okamžité rychlosti traktoru spolu se senzorem teoretické rychlosti traktoru, umístěným na výstupní hřídeli z diferenciálu. Z těchto signálů je vypočten prokluz pomocí elektronické řídící jednotky. Na základě skutečné hodnoty prokluzu pak dojde v případě překročení zvolené meze prokluzu k přizvednutí nářadí, jenž způsobí navýšení vertikálních sil působících na hnací nápravy. Prakticky to znamená navýšení schopnost přenášet větší tahovou sílu na hnacích kolech. Ve výsledku snížením prokluzu nedochází k ztrátě rychlosti a tím ani ke ztrátám tahového výkonu. Použití této regulace přináší výhody ve formě snížení spotřeby paliva a pracovního času spolu se snížením opotřebení pneumatik. Použití regulace na 45

46 mezní prokluz přinášní snížení stresové zátěže obsluhy. Z hlediska použití EHR je pak možné kombinovat regulaci na mezní prokluz s jinými regulačními systémy (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013) Tlaková regulace Cílem tlakové regulace je udržení tlaku v lineárním hydromotoru na hodnotě nastavené obsluhou. Tento tlak je snímán senzorem tlaku, umístěným ve vnitřním hydraulickém okruhu. Snímaná hodnota je převedena na elektronický signál poskytovaný elektronické řídící jednotce, která po aktivaci talkové regulace udržuje v tomto okruhu nastavený tlak. Tlaková regulace nachází opodstatnění u strojů s opěrnými koly, kdy opěrná kola připojeného stroje zachycují vertikální síly. Pokud jsou vertikální síly zachyceny opěrnými koly agregovaného nářadí, není možné využít těchto sil k navýšení působících sil na hnací kola traktoru a tahová síla je v tomto případě tvořena pouze tíhou traktoru. Tlaková regulace umožní přenést vertikální zatížení z agregovaného nářadí přes tříbodový závěs na hnací kola traktoru. Prakticky to znamená snížení prokluzu hnacích kol, což přináší navýšení tahového výkonu. Se snížením ztrát v prokluzu pak dochází ke snížení spotřeby paliva a zvýšení výkonnosti orební soupravy (BOSCH EHR 2012, Bauer F. a kol 2013). 46

47 2.7 Monitorování sil v tříbodovém závěsu traktoru Výsledky z monitorování sil v tříbodovém závěsu traktoru poskytují rozsáhlé spektrum uplatnění. Příkladem může být správná volba agregace traktoru s nesenými či návěsnými stroji či nástroji, která se odvíjí požadavku na velikost tahové síly. Při použití tenzometrického tříbodového závěsu je pak možné vhodně optimalizovat volený pracovní záběr a hloubku pro plánované zpracování půdy pro optimální využití tahového výkonu traktoru. Uplatněním výsledků z monitorování silového zatížení je možné určit odporovou sílu různých druhů půd. Dalším z klíčových bodů je využití tříbodového závěsu s možností sledování průběhu sil v jednotlivých táhlech při analyzování vlivu nastavení samotného tříbodového závěsu nebo jeho regulace při agregaci určitého stroje či nástroje (např.: nastavení režimu elektrohydraulické regulace nebo zkoumání vlivu přenosu sil v závislosti na volbě polohy zapojení horního táhla). V rámci hledání optimálního nastavení je možné využít i jiných ukazatelů reprezentujících vhodnost použití této volby. Příkladem může být sledování prokluzu hnacích kol traktoru, kdy se snižující se hodnotou prokluzu stoupá efektivita realizované polní operace. Tento trend může být považován za klíčový pro vyhodnocování správnosti zvolené agregace (Moitzi G. 2013, Páltik 2005, Bauer 2013). I z hlediska pozorování výkonnosti traktorové soupravy je výhodné sledovat prokluz hnacích kol, jelikož jeho hodnota je nositelem kvality přenosu tahové síly traktoru na podložku. Tento parametr, jak již bylo zmíněno, je však ovlivňován mnoha faktory. Od nastavení tlaku v pneumatikách, přes nastavení elektrohydraulické regulace, po seřízení tříbodového závěsu. V tomto případě mohou zmíněné faktory interagovat mezi sebou navzájem a sledování vhodnosti nastavení konkrétního parametru nebude možné. Z těchto důvodů pak není možné využít sledování prokluzu pro posuzování vhodnosti a dopadu provedené změny v nastavení a je nutné se konkrétně zaměřit na sledování parametrů, které nejsou ovlivněny tolika proměnnými faktory. Z hlediska přenosu sil z agregovaného nářadí na rám, jednotlivé nápravy a kola traktoru je výhodné sledovat silové účinky působící v tříbodovém závěsu tohoto traktoru jednotlivě. Jednou z možností pro vyhodnocení vhodnosti nastaveného připojení mezi traktorem a použitým nářadím je právě sledování těchto sil. 47

48 Výzkumné práce zabývající se vlivem silových účinků či měřením sil mezi traktorem a připojeným nářadím využívají různá zařízení pro určení sil působících v tříbodovém závěsu nebo přímému určení tahové síly traktoru. Obecně lze popsat tenzometrický tříbodový závěs jako zařízení pro snímání sil v jednotlivých ramenech či napojené konstrukci integrované mezi traktorem a připojeným zařízením. Ve vývojové a vědecké sféře je pak použito několika základních konstrukčních řešení Snímání sil pomocí měřicího rámu Jedním ze základních konstrukčních řešení pro snímání silových účinků v jednotlivých táhlech tříbodového závěsu je využití měřicího rámu osazeného převodníky. Řešení navržené Alimaradni R. et al (2008) využívá rám ve tvaru obráceného U-profilu osazeného tenzometrickými snímači ve formě čepů pro snímání sil v dolních táhlech a Wheatstoneův můstek se čtyřmi aktivními hvězdicemi pro snímání síly v táhle horním. Toto řešení převádí mechanické zatížení na elektrický signál. Následně je využito data loggeru pro zpracování signálu a přenosného počítače pro ukládání a sledování měřených parametrů. Z hlediska velikosti sil je nutné měřicí rám dimenzovat. Celková hmotnost rámu pak nežádoucím způsobem ovlivňuje hmotnost pracovního nářadí. Jednou z dalších nevýhod je integrace rámu mezi traktor a nesený nástroj, kdy dochází k posunutí tohoto nástroje vůči traktoru a v důsledku toho tento systém neodpovídá skutečné agregaci. Měřicí rám byl kalibrován na maximální sílu 10 kn, což předurčuje použití této koncepce pro laboratorní měření s malotraktory a traktory s nízkým tahovým výkonem (Alimaradni R. et. al., 2008). Vyobrazení tohoto řešení je uvedeno na obr. 21. Obr. 21 Tenzometrický snímač ve formě čepu a jeho zapojení (Alimaradni R. et. al., 2008) 48

49 Další řešení využívající tentokrát dvou rámů vsazených do sebe, jejichž vzájemný pohyb byl umožněn pomocí kladkového vedení a následně vymezen pomocí tenzometrického snímače, navrhl Askari M. et all (2011). Jedním z řešení využívající přídavného zařízení je použití rámu ve tvaru T, osazeného tenzometrickými snímači. T-rám je napojený mezi tříbodový závěs traktoru a agregované nářadí. Návrhem a použitím tohoto řešení se zabýval Al-Jalil H.F. (2001), kde se s vhodně umístěnými Wheatsonovými můstky na konzolovém nosníku snímala pouze tahová síla. Po kalibraci použitých tenzometrických snímačů bylo možné snímat požadovaný parametr. Pro snímání bočních či vertikálních sil by u tohoto řešení bylo nutné použít nový set snímačů, což by vedlo k opětovné kalibraci. Opět se zde setkáváme s nevýhodou tohoto řešení, kterou je posunutí agregovaného nářadí vůči tříbodového závěsu (Al-Jalil H.F. 2001). Podobné řešení bylo použito při výzkumné studii orby ve výzkumném centru v Austrálii. Zde bylo využito vazebného členu mezi tříbodovým závěsem traktoru a samotným nářadím. Vazebný člen umožnil napojení tříbodového závěsu kategorie 1, 2 a 3. Zařízení využívalo komerčních tenzometrů, jejichž výstupní signál byl veden pomocí analogového signálu do výpočetního zařízení. Toto zařízení umožňovalo měřit tahovou sílu, vertikální a boční síly spolu s odpovídajícími momenty (Palmer A.L. 1991). Inovativní řešení pro studium optimalizace výkonu při zpracování půdy přineslo začlenění siloměrů do tříbodového závěsu, které jsou schopny měřit ortogonální složky sil s využitím pouze tří silových snímačů. Toto řešení bylo nutné doplnit o aplikaci třídimenzionální silové analýzy TBZ (Bentaher H. 2008). Konstrukční řešení využívá dva prodloužené ortogonální kroužky, jejichž osy svírají pravý úhel, a zkrutné tyče. Pro vysoká zatížení byla použita vysokopevnostní ocel. Působící síly a momenty byly snímány s využitím tenzometrických můstků nalepených na tomto zařízení (Godwin R. J. 1993) Snímání sil pomocí tenzometrického tříbodového závěsu Výše popsané metody snímání sil mezi traktorem a agregovaným nářadím umožňují monitorovat průběh silových reakcí v použitém rámu a následně vyhodnocovat působící tahovou sílu a vznikající momenty. Tato řešení však negativním způsobem ovlivňují geometrii připojení z hlediska posunutí či přemístění upínacích prvků nářadí vůči 49

50 tříbodovému závěsu. Do takto tvořené traktorové soupravy může posunutí nářadí vůči traktoru vnášet dodatečné silové zatížení, či navýšení hodnoty působících momentů. Příkladem může být prodloužení vzdálenosti mezi těžištěm pluhu tříbodovým závěsem traktoru. Výsledkem bude ovlivnění velikosti působícího momentu na tříbodový závěs traktoru, vyvozeného od tíhové síly pluhu působící v jeho těžišti. Konkrétní řešení a zapojení tenzometrických snímačů je uvedeno v kapitole zabývající se experimentálním měřením silových účinků v tříbodovém závěsu při orbě. Tříbodový závěs osazený tenzometrickými snímači je zobrazen na obr. 22. Obr. 22 Tenzometrický tříbodový závěs traktoru Zetor P Využití standardně instalovaných senzorů Další z možností, jak měřit působící síly v tříbodovém závěsu traktoru, je využití standardně použitých senzorů nacházejících se na traktoru již z výroby. Mezi tyto senzory patří tenzometrické snímače integrované v čepech dolních táhel tříbodového závěsu 50

51 dnešních traktorů, používaných pro měření vstupních parametrů pro funkci elektrohydraulické regulace. Instalace tenzometrického čepu levého spodního táhla je zobrazena na obr 23. Obr. 23 Tenzometrický čep dolních táhel TBZ (vlevo), horní táhlo osazeno tenzometrickým snímačem (vpravo) Tento přístup je výhodný jak z hlediska přesnosti snímání sil, tak i z hlediska sériového použití těchto senzorů. Další z výhod, oproti výše zmíněným řešením, je, že při agregaci nedochází ke změně polohy upínacích bodů tříbodového závěsu, tedy k posunu nářadí vůči traktoru dozadu, jako tomu bylo u předchozích řešení. Pro kompletní snímání silových účinků ve všech táhlech TBZ je však zapotřebí zabezpečit snímání síly v horním táhle a následně v táhlech zvedacích. Pro snímání síly v horním táhle lze využít univerzálního horního táhla osazeného tenzometrickým snímačem. To je vyobrazeno na obr. 23 vpravo. Měřením sil pomocí standardně instalovaných senzorů se zabývá Ústav provozu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně. Aby však byla tato koncepce kompletní, tedy aby ji bylo možné použít na tříbodový závěs libovolného typu traktoru, je nutné přijít s řešením pro snímání sil ve zvedacích táhlech. Problém zde nastává v místě upnutí zvedacích táhel a samotného zvedacího ústrojí. Výrobci traktorů používají pro napojení zvedacích táhel s dolními táhly různá konstrukční řešení. Totéž platí i o napojení ramen zvedacího ústrojí a zvedacích táhlech. Tento fakt přináší do koncepce 51

52 univerzálního tříbodového závěsu s využitím standardních tenzometrických čepů komplikaci. Po vyřešení tohoto problému je však možné měřit silové účinky v tříbodovém závěsu libovolného traktoru a následnou analýzou naměřených dat je možné zkoumat vhodnost nastavení tříbodového závěsu od zvoleného režimu elektrohydraulické regulace, po využití analýzy silových účinků k vyjádření silových výslednic a momentů působících přímo na hnací kola traktoru. Z následné analýzy je možné posuzovat správnost použitého zavěšení či vhodnost použití agregovaného stroje či nářadí s ohledem na výkonnostní parametry zkoumané soupravy (Bauer F. a kol., 2013). 52

53 3 CÍLE PRÁCE Cílem práce bylo vytvořit matematický model pro analyzování silových účinků působících v tříbodovém závěsu traktoru při orbě. Následně pak z experimentálních měření orebních souprav stanovit jednotlivé složky sil působící pod hnacími koly traktoru a dále realizovat experimentální měření s orební soupravou vybavenou trakčním válcem. Z provedených experimentů dále stanovit energetické a výkonnostní parametry orebních souprav. Získané hodnoty analyzovat a formulovat závěry pro zemědělskou praxi. Pro splnění cílů práce byly realizovány polní měření zaměřená na tenzometrické snímání sil v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným pluhem Kverneland LS 95 a dále s návěsným pluhem Kverneland RS 100. Naměřené síly v TBZ byly použity pro výpočet výsledných reakcí působících pod hnacími koly traktoru pomocí navrženého výpočtového modelu v programu Adams MSC. Pro doplnění výsledků z tenzometrického měření sil při orbě s neseným a návěsným pluhem bylo realizováno polní měření s orební soupravou s traktorem John Deere 8295 R v agregaci se sedmiradličným otočným návěsným pluhem Pöttinger SERVO 6.50 vybaveným trakčním válcem. Výsledky práce mohou blíže objasnit možnosti v úspoře paliva a zvýšení výkonnosti orebních souprav vlivem nastavení tříbodového závěsu traktoru spolu s možností snížení opotřebení hnacího ústrojí traktoru způsobené nesprávnou agregací neseného či návěsného pluhu s následným rozdílným zatížením hnacích kol traktoru. Další možností plynoucí z výsledků práce je možnost využití a rozvíjení navrženého výpočtového modelu za účelem optimalizace bodů připojení mezi traktorem a agregovaným nářadím. Z výsledků také plynou závěry opodstatňující použití trakčního válce v koncepci návěsných pluhů za účelem snížení nákladů na provozování orebních souprav, spolu s možností redukce prokluzu a navýšení výkonnosti. 53

54 4 MATEMATICKÝ MODEL PRO VYHODNOCOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT Jedním ze stanovených cílů této práce bylo navržení matematického modelu pro vyhodnocení naměřených hodnot silových účinků v tříbodovém závěsu během polního měření s traktorovou orební soupravou. Pro tento účel byl zvolen produkt od společnosti MSC software pod názvem ADAMS MSC, jenž se řadí mezi multibody programy, které umožňují modelovat jednotlivé komponenty příslušného mechanismu či systému a následně zkoumat silové či polohové změny nebo monitorovat zatížení, které se tímto mechanismem přenáší. Příslušné komponenty je možné definovat jako tuhá či pružná tělesa, mezi nimiž se definují kinematické vazby, které následně ovlivňují chování celého mechanismu či zkoumaného modelu. Tyto modely mohou být opatřeny speciálními prvky, např. tlumičem s pružinou, pružným uložením o definované tuhosti ve směru posuvů a rotací či modelem pneumatiky. Mezi další význačné prvky multibody systémů patři využití lokálních souřadných systémů umisťovaných do počátečního a koncového bodu modelovaného tělesa. Tyto lokální souřadné systémy (souřadný systém je označován jako marker) se pohybují spolu s příslušným tělesem a je možné v těchto souřadných systémech odečítat jejich polohu, rychlost a zrychlení a v neposlední řadě také působící sílu (Vinogradov O. 2000). Pro takto sestavený simulační model jsou na základě definovaných kinematických vazeb, působících zatížení, a vložených počátečních parametrů vytvořeny pohybové rovnice, které slouží k popisu chování těchto modelů. Základem pro sestavování těchto rovnic je použití řady metod popisujících chování definovaného systému. Mezi základní metody pro sestavení pohybových rovnic patří princip virtuálních prací a výkonů, Newton- Eulerovy rovnice či Lagrangeovy rovnice prvního a druhého řádu. Důležitou roli pro složitost sestavování těchto rovnic hraje volba použitých kinematických vazeb, jež ovlivňuje výsledný počet stupňů volnosti modelovaného systému, počet těles, použití speciálních prvků modelu či výsledná statická určitost či neurčitost systému. Na tyto a mnohé další faktory je nutno brát zřetel při tvorbě samotného modelu. Příkladem může být 54

55 použití vhodné kinematické vazby z hlediska mechaniky těles a funkčnosti skutečného mechanismu, jenž ovlivňuje celkový charakter přenosu sil na zkoumaném tříbodovém závěsu, složeného z příslušných ramen a jejich uložení vůči traktoru a jejich uložení vůči sobě (Blundell M. 2004, Vinogradov O. 2000, Houfek Brno 2011). Algoritmus navrženého výpočtového modelu byl ověřen pomocí postupů a závěru uvedených v práci Porteš P Tvorba výpočtového modelu Pro počátek tvorby modelu traktoru v prostředí ADAMS MSC bylo nutné získat celkové rozměry traktoru, tedy rozchod kol přední a zadní nápravy a také rozvor těchto náprav. Klíčovou roli pro určení zatížení na jednotlivá kola přední nápravy bylo nalezení polohy její osy kývání a zanesení této polohy do geometrie modelu. Dalším parametrem bylo určení rozměru pneumatik pro definování poloměru předního a zadního kola traktoru. Traktor byl před polním měřením zvážen, aby bylo možné určit následnou tíhu stroje. Pro určení těžiště traktoru, jehož poloha rozhoduje o rozložení hmotnosti mezi přední a zadní nápravou traktoru vybaveného přídavným závažím (přidáním závaží do kol a zavěšení závaží na přední rám traktoru), bylo realizováno vážení traktoru na přenosných vahách. Pro simulaci přenosu sil z pluhu na traktor přes tříbodový závěs ve virtuálním prostředí bylo nutné zachovat skutečnou geometrickou konfiguraci jednotlivých napojení tříbodového závěsu na traktor, odpovídající poloze při polních operacích. Při polním měření bylo využito upraveného tříbodového závěsu, jenž měl v jednotlivých táhlech nainstalovány tenzometrické snímače. Z tohoto důvodu bylo nutno změřit délky jednotlivých ramen modifikovaného tříbodového závěsu a také zaznamenat polohu napojení zvedacích táhel na táhla spodní. Rozteč mezi oky dolních táhel byla definována přípojnými body pluhu. Výška od osy napojení dolních táhel a polohy třetího bodu byla definována výškou přípojného bodu ve stojánku pluhu. Při samotné orbě byl tříbodový závěs traktoru provozován v definované výšce, která byla sledována pomocí snímače polohy. Geometrie pluhu a tříbodového závěsu v příslušné poloze byla definována hloubkou orby. Tato geometrická konfigurace byla použita i ve virtuálním prostředí pro dodržení totožných podmínek při přenosu sil na hnací kola traktoru. 55

56 Výpočtový model byl vytvořen pomocí bodů v prostoru, odpovídajících příslušným význačným bodům traktoru. Hlavní souřadný systém, ve kterém byl model traktoru a tříbodového závěsu modelován, se nacházel ve středu spojnice mezi body připojení dolních táhel k rámu traktoru. Vůči tomuto bodu SS byly přepočítány souřadnice všech význačných bodů traktoru. Přední náprava byla definována pomocí bodu styku kol s podložkou a středem rotace předních kol traktoru spolu s rozchodem levého a pravého předního kola. Následně byl určen bod, okolo něhož se přední náprava vůči rámu traktoru vykyvuje. Po určení bodu kyvu přední nápravy byla definována podélná souřadnice těžiště pomocí vážení přední a zadní nápravy v rovině. Z vážení traktoru, kdy byla zjištěna hmotnost připadající na jednotlivá kola traktoru, byla určena podélná a příčná souřadnice jeho těžiště. Pro nalezení vertikální polohy těžiště byl traktor umístěn do nakloněné roviny, kde byla změřena tíha připadající na zadní nápravu spolu s úhlem sklonu této roviny. Zadní náprava byla definována body styku mezi zadními koly a podložkou. Další body zadní nápravy byly definovány pomocí středů otáčení zadních kol. Následovalo definování klíčových bodů tříbodového závěsu. Ramena zvedacího ústrojí byla vytvořena jako jeden celek a na traktor byla napojena pomocí rotační vazby zamezující veškeré posuvy a umožňující rotaci okolo osy procházející uložením ramen zvedacího ústrojí. Další přípojné body byly opět propojeny s traktorem a složeny v jeden celek pro zachování geometrického modelu a možnosti simulovat přenos tahových a tlakových sil spolu s momenty, které tříbodový závěs na traktor přenáší. Náhled na tříbodový závěs ve virtuálním prostředí je zobrazen na obr

57 Z X Y Obr. 24 Znázornění tříbodového závěsu pomocí tuhých těles Na tomto obrázku je modře znázorněno tělo traktoru včetně přípojných bodů k jednotlivým táhlům tříbodového závěsu. Ramena zvedacího ústrojí jsou zobrazena zeleně. Ta jsou k traktoru upnuta pomocí kloubové vazby umožňující natáčení vůči ose hlavní hřídele zvedacích ramen. Levé a pravé dolní táhlo je vyobrazeno oranžově. Tříbodový závěs pluhu s body napojení na dolní táhla je vyobrazen tmavě zeleně. Horní táhlo napojené mezi traktor a stojánek pluhu je zobrazeno žlutě. Mezi rameny zvedacího ústrojí jsou pak napojena zvedací táhla. Levé a pravé zvedací táhlo je zobrazeno červeně. V tab. 1 jsou uvedeny body v prostoru definující kompletní model traktoru, jeho závěsu a tříbodového závěsu pluhu. 57

58 Tab. 1 Definice bodů modelu traktoru v ADAMS MSC Souřadnice Název bodu X [mm] Y [mm] Z [mm] AL AP BP BL CP CL DP DL E F G Střed levé zadní Střed pravé zadní E levé E pravé Čep přední nápravy Těžiště traktoru Levé zadní kolo Pravé zadní kolo Levé přední kolo Pravé přední kolo Střed pravé přední Střed levé přední Střed zadní nápravy Těžiště traktoru Tyto body tvoří kompletní geometrii traktoru, tříbodového závěsu traktoru a tříbodového závěsu pluhu. Veškeré body byly tvořeny vůči globálnímu souřadnému systému, jehož orientace jednotlivých os je patrná z obr. 24. Osa X směřuje ve smyslu pohybu traktoru, osa Y míří vlevo při pohledu řidiče ve směru jízdy a následně osa Z míří kolmo k rovině, na níž traktor stojí. Body v prostoru jsou okomentovány textem z důvodu zjednodušení a přehlednosti při odečítání dat v těchto bodech v režimu postprocesor MSC Adams. Mezi 58

59 jednotlivými body v prostoru byla definována tuhá tělesa reprezentující rám traktoru, přední nápravu či jednotlivé komponenty tříbodového závěsu. Dalším krokem bylo definování kinematických vazeb mezi jednotlivými tělesy modelu a použití speciálního prvku, charakterizujícího závěs pro následné monitorování sil v bodech dotyku kol s podložkou. Popis a umístění kinematických vazeb mezi jednotlivými tělesy modelu jsou uvedeny v tab.2. Tab. 2 Použité kinematické vazby v modelu Popis umístění vazby Použitá vazba Stupeň volnosti Symbol vazby Přední náprava + tělo traktoru se zadní nápravou Pant 3 posuvy 2 rotace Ramena zvedacího ústrojí + tělo traktoru se zadní nápravou Pant 3 posuvy 2 rotace Dolní táhla + tělo traktoru se Sférická 3 posuvy zadní nápravou Ramena zvedacího ústrojí + Sférická 3 posuvy zvedací táhla Zvedací táhla + dolní táhla Sférická 3 posuvy Dolní táhla + rám pluhu Sférická 3 posuvy Horní táhlo + tělo traktoru se Sférická 3 posuvy zadní nápravou Horní táhlo + rám pluhu Sférická 3 posuvy Levé a pravé přední kolo + zem Levé a pravé zadní kolo + zem Flexibilní připojení - závěs 3 posuvy (pružné) 3 rotací (pružné) Vazba mezi přední nápravou a tělem traktoru se zadní nápravou je volena s ohledem na zachování funkčnosti a možnosti přenášet pouze taková zatížení, popřípadě momenty, jež 59

60 přenáší skutečná kyvná náprava traktoru. Sférické vazby, použité na tříbodovém závěsu traktoru, umožňují dodatečnou rotaci příslušného táhla vůči ose symetrie, která vychází a končí v počátečním a konečném bodu daného táhla. I když je tato rotace ve skutečnosti vymezena rozsahem sférického kloubu na jednotlivých táhlech, výpočtový model je o toto zjednodušen. Zjednodušení neovlivňuje výsledné silové působení. Výpočtový model je znázorněn na obr. 25. Těžiště traktoru Uložení přední nápravy Obr. 25 Schéma 3D modelu traktoru Zetor P041, tříbodového závěsu a tříbodového závěsu pluhu Přední náprava traktoru je reprezentována tělesem se žlutou barvou a tělo traktoru se zadní nápravou je pak vyobrazeno modře. Následně jsou definována jednotlivá ramena tříbodového závěsu a na ně je napojen stojánek pluhu, jenž je na obrázku vyobrazen zeleně. Z obrázku je patrná geometrická konfigurace globálního souřadného systému, který se nachází mezi levým a pravým zadním kolem, na jejich ose otáčení. 4.2 Definování působících sil Pro správný výpočet silových účinků pod koly traktoru je nutné definovat vstupní síly, které na traktor při daném zatížení působí. Veškeré síly zavedené do výpočtového modelu vystupují jako síly vnější. Z hlediska problematiky snímání sil pomocí tříbodového závěsu je nutné uvažovat smysl a charakter zatěžování, který byl naměřen pomocí tenzometrických 60

61 snímačů. Z tohoto důvodu byla jednotlivá táhla tříbodového závěsu uvolněna a doplněna o výsledné vnitřní účinky, které definují akční a reakční smysl působících sil v prostorové soustavě táhel tříbodového závěsu. Diagram uvolnění tříbodového závěsu je zobrazen na obr. 26. F HT S HT S PZ F PZ S LZ F PD F LZ S PD F LD S LD Obr. 26 Schéma uvolnění tříbodového závěsu spolu s působícími silami Z tohto diagramu je patrné charakteristické umístění tenzometrických snímačů v jednotlivých táhlech závěsu. Body A až G s podoznačením L levá, P pravá, definují počáteční a koncové body jednotlivých táhel tříbodového závěsu a stojánku pluhu. Zároveň pak tyto body definují kontaktní místa, kde budou použity příslušné vazby odpovídající skutečnému napojení závěsu na tarktor a pluh. Body AL a AP reprezentují čepy dolních táhel spojující dolní táhla s rámem traktoru. Body CL a CP pak znázorňují připojované čepy mezi dolními táhly a táhly zvedacími. Mezi zvedacími táhly a rameny zvedacího ústrojí se nacházejí body DL a DP. Uložení zvedacího ústrojí je pak označeno písmenem E. Bod F zachycuje místo upnutí horního táhla k tělu traktoru a následně bod G reprezentuje upínací bod na stojánku pluhu. Poslední z bodů BL a BP se nachází na tříbodovém závěsu pluhu v místě připojení levého a pravého dolního táhla. Na tříbodovém závěsu je umístěno celkem pět tenzometrických snímačů. S HT je označen snímač síly pro snímání síly F HT. Jako S LZ a S PZ jsou označeny snímače pro snímání síly F LZ a F PZ a jako S PL a S PD jsou označeny tenzometrické snímače pro snímání sil F LD a F PD. Z tohoto uvolnění vyplývá, že definování vnějších sil přímo do zvedacích táhel není možené. Nedocházelo by tak k vyvozování 61

62 totožného zatížení. Pro ekvivalentní zatížení tříbodového závěsu, jako tomu bylo při polních měřeních, je nutné doplnit dvě vnější síly působící na body tvořené napojením dolních táhel a přípojných bodů pluhu. Umístění vnějších sil působících na tříbodový závěs traktoru je zobrazeno na obr. 27. Obr. 27 Aplikace sil na tříbodový závěs traktoru Naměřené hodnoty silových účinků v jednotlivých táhlech jsou pak vkládány jako vstupní hodnoty pro následný výpočet. Na základě principu uvolňování těles a jejich silové rovnováhy při uvolnění bylo nutné naměřené síly ve zvedacích táhlech zadat pomocí dvou sil působících na koncích dolních táhel, tedy v bodech BL a BP. Velikost těchto sil byla určena pomocí rovnice 3 pro sílu F LV a pomocí rovnice 4 pro sílu F PV. Směr působení těchto sil je tečný ke kružnici opsané bodem BL vůči čepu AL pro sílu F LV a tečný ke kružnici opsané bodem BP vůči čepu AP pro sílu F PV. Úhly α L a α P byly odměřeny mezi svislou rovinou a osami zvedacích táhel v 3D modelu tříbodového závěsu (Inventor 2014). 62

63 CCCC AAAA FF LLLL = FF LLZZ cos αα BBBB AAAA LL (3) FF PPPP = FF PPPP CCCC AAAA BBBB AAAA cccccc αα PP (4) Síla reprezentující tíhu traktoru byla lokalizována do polohy těžiště. Tato poloha těžiště byla experimentálně zjištěna pomocí vážení traktoru v rovině a následně při zvednutí přední nápravy. Pro ověření správnosti navrženého výpočtového modelu bylo porovnáno statického rozložení hmotnosti na příslušná kola traktoru dle experimentálního měření vážením na rovině. Výsledky výpočtu a experimentálního vážení jsou uvedeny v tab. 3. Tab. 3 Statické zatížení traktoru Zetor P041 zjištěné vážením a výpočtem Náprava Zatížení určené vážením Zatížení určené výpočtem Zadní 23,37 kn 44,3% 23,40 kn 44,2% Přední 29,48 kn 55,7% 29,45 kn 55,8% Pro reálné simulování tíhové síly působící na traktor při orbě byl vektor tíhové síly, lokalizovaný v těžišti, rozložen do podélné a příčné složky, vycházející z jeho pohybu s jednou stranou kol v brázdě a druhu po záhoně. Pro každý výpočet byla upravována velikost vertikální a horizontální složky s ohledem na skutečnou hloubku brázdy. Do navrženého modelu tříbodového závěsu byly následně integrovány silové účinky získané z naměřených hodnot během polního měření s orební soupravou. Přehled umístění a označení jednotlivých sil je uveden v tab. 4. Tab. 4 Přehled umístění a označení působících vnějších sil v modelu Značení síly Lokalizace působení Směr působení síly F FLV [N] Upínací hlava pluhu Tečná k levému dolnímu táhlu F FPV [N] Upínací hlava pluhu Tečná k pravému dolnímu táhlu F LV [N] Dolní táhlo levé Tečná na poloměr otáčení přípojného bodu levého dolního táhla F PV [N] Dolní táhlo pravé Tečná na poloměr otáčení přípojného bodu levého dolního táhla F HT [N] Horní táhlo Rovnoběžné s horním táhlem 63

64 Komplexní schéma zatěžujících a výsledných sil je uvedeno na obr. 28. Obr. 28 Schéma působících sil na výpočtový model (orba vpravo) Tento obrázek také zobrazuje celý model popisující rozložení sil mezi traktorem a základní podložkou. Hlavní sledovanou proměnnou byly síly působící v ose Z pod body dotyku jednotlivých kol s podložkou. Síla působící pod levým předním kolem byla označena F PLZ, následně síla působící pod pravým předním kolem F PPZ. Síly působící pod koly zadní nápravy ve směru osy Z byly označeny F ZLZ a F ZPZ. Součet jednotlivých složek sil působících pod koly traktoru ve směru osy X pak reprezentuje celkovou tahovou sílu vyvozenou traktorem. Síla ve směru osy X pod předním levým kolem byla označena F LPX. Síla ve směru osy X pod pravým předním kolem pak F PPX. Obdobné značení bylo použito i na zadní nápravě kdy ve směru osy X působí síla F ZLX pod levým zadním kolem a F ZPX pod pravým zadním kolem. Totožné označení je respektováno i u sil působících pod jednotlivými koly ve směru Y. 4.3 Odečítání výsledných reakcí pod koly traktoru Pro odečítání sil v prostředí ADAMS MSC je možné použít celou řadu dostupných funkcí. Od nepřímého snímání síly pomocí pružiny s definovanou tuhostí, po simulování skutečných kontaktů mezi dvěma tělesy či styku pneumatiky s vozovkou. Z hlediska 64

65 jednoduchosti a časové náročnosti výpočtu a tvorbě modelu byl vybrán způsob odečítání sil pomocí flexibilního připojení závěsem. Toto připojení flexibilně omezuje šest stupňů volnosti zachycující tři posuvy v příslušných osách a tři rotace okolo těchto os s následnou specifikací translačních tuhostí spolu s tlumením v jednotlivých osách X, Y a Z a rotačních vlastností tuhosti a tlumení okolo těchto os. Směrová tuhost byla definována na základě tíhy traktoru a možného stlačení, které této tíze odpovídá. Snahou volby směrové tuhosti bylo zamezit nežádoucím posuvům, které by vznikaly při nízké hodnotě této tuhosti. Nutno podotknout, že hodnota směrové tuhosti neovlivňuje výslednou silovou reakci působící pod koly traktoru a podložkou, kde byly tyto vazby použity. Rotační vlastnosti tuhosti a jejího tlumení byly nastaveny na nejnižší hodnotu, aby nezasahovaly do výpočtu silových účinků. Následně byly v postprocesoru vyčteny síly působící ve vertikálním směru v příslušných flexibilních závěsech. Také byly odečteny síly v tříbodovém závěsu pro přehlednost a sdružení vstupních parametrů s parametry výstupními do jedné tabulky, což přineslo zjednodušení následného vyhodnocení dat. Výsledky výpočtu pro orbu vpravo s maximálním předepnutím horního táhla jsou zobrazeny na obr. 29. čas analýzy (s) Obr. 29 Vizualizace výsledků výpočtu v postprocessor MSC ADAMS 65

66 5 METODIKA EXPERIMENTÁLNÍHO MĚŘENÍ Následující kapitola popisuje metodiku experimentálních měření s orebními soupravami složenými z traktoru Zetor P041 s neseným čtyřradličným otočným pluhem Kverneland LS 95 a návěsným pětiradličným otočným pluhem Kverneland RS 100 a následně s orební soupravou John Deere 8295R s návěsným sedmiradličný otočný pluh Pöttinger SERVO 6.50 vybaveným trakčním válcem. 5.1 Metodika měření silových účinků orebních souprav s tenzometrickým tříbodovým závěsem Z hlediska analýzy vlivu nastavení geometrie tříbodového závěsu orební soupravy byla realizována polní měření, při kterých byl zkoumán přenos silových účinků při připojení neseného a návěsného pluhu na hnací kola traktoru. Pro porovnání vhodnosti nastavení bylo využito tenzometrického tříbodového závěsu, který umožňoval zaznamenávat průběhy sil v jednotlivých táhlech během orby. Záznam silového působení byl následně využit pro výpočet silových reakcí působících pod koly traktoru. Spotřeba paliva u obou orebních souprav byla monitorována objemově pomocí průtokoměru Fowtronic 206 zapojeného do okruhu palivové soustavy traktorového motoru spolu s její teplotou. Po realizovaných měřeních byla provedena korekce spotřeby paliva na základě spotřebovaného objemu a teploty. Po celou dobu měření bylo prováděno chlazení nafty v nízkotlakém okruhu palivové soustavy jednotkou s výměníkem Flowtronic s Flowjet ventilem Z elektronické vyhodnocovací jednotky průtokoměru pak byly údaje o okamžité hodinové spotřebě paliva motoru ukládány do paměti měřícího počítače umístěného v kabině traktoru. Teoretická rychlost traktoru byla odečítána z datové sběrnice CAN-BUS. Skutečná rychlost pak byla monitorována pomocí GPS modulu. Dalším sledovaným parametrem byl čas projetí vytyčených úseků, který byl monitorován taktéž měřicím počítačem. Pro snímání silových signálů z tenzometrického tříbodového závěsu byla použita platforma CompactRIO spolu s vývojovým prostředím LabView s ukládáním do přenosného počítače. Měření bylo zaznamenáváno se vzorkovací frekvencí 250 Hz. 66

67 Záznam působících sil v tříbodovém závěsu traktoru byl realizován při orbě na úseku 30 metrů. Na tomto úseku byly monitorovány parametry pro určení výkonnosti a energetické náročnosti orební soupravy a silového působení pod koly traktoru. Pro ustálení měřených parametrů byla před měřicím úsekem vytyčena dráha pro ustálení měřených hodnot. Pro kompetentnost výsledných naměřených hodnot byla realizována jak orba vlevo tak i orba vpravo, vždy s totožným nastavením tříbodového závěsu, pracovním záběrem a hloubkou orby. První série měření zkoumala vliv nastavení délky horního táhla při agregaci traktoru Zetor P041 s neseným pluhem Kverneland LS 95. S touto orební soupravou bylo realizováno celkem 18 měření s nastavením třech délek horního táhla. Pro každou délku horního táhla pak byly realizovány orby vlevo i vpravo se třemi opakováními. První nastavení horního táhla o délce 700 mm odpovídalo volné poloze čepu ve stojánku pluhu, které je znázorněno na obr. 30. Obr. 30 Umístění čepu horního táhla ve stojánku pluhu Druhé nastavení geometrie, bylo charakterizováno délkou horního táhla 665 mm reprezentující mírné předepnutí, kdy zkrácením délky horního táhla došlo k vymezení vůlí a mírnému předpětí mezi čepem a stojánkem pluhu. Nutno podotknout, že při tomto stavu 67

68 nedocházelo k ovlivnění hloubky orebních těles. Byl pouze navozen stav, kdy dochází k částečnému přenosu tíhy pluhu a sil působících na orební tělesa. Třetí zkoumaný stav, kdy bylo horní táhlo zkráceno na délku 635 mm, simuloval přenos výrazné části tíhy pluhu a sil vznikajících při orbě. Následně byla provedena série experimentů s orební soupravou složená z traktoru Zetor P041 v agregaci s návěsným pětiradličným otočným pluhem Kverneland RS 100. V tomto případě nedocházelo ke změně délky horního táhla. Byly zaznamenávány jednotlivé síly v tříbodovém závěsu při konkrétním nastavení tohoto návěsného pluhu. V obou orebních souprav byly snímány provozní parametry traktorového motoru, hloubka a záběr orby a počet otáček kol zadní nápravy pro určení prokluzu hnacích kol. Obdobně jako tomu bylo u předchozího měření, i zde byl vytyčen 30 m měřicí úsek, na němž byly realizovány 3 série měření pro orbu vlevo a následně 3 série měření pro orbu vpravo. Před zahájením orby s neseným pluhem Kverneland LS 95 byly nastaveny základní geometrické parametry pluhu vůči traktoru. Pluh byl seřízen na požadovanou hloubku orby. Byl nastaven záběr prvního orebního tělesa a pluh byl příčně i podélně vyrovnán tak, aby všechna orební tělesa měla totožný záběr a pracovní hloubku. Totožné nastavení bylo realizováno i pro orební soupravu s návěsným pluhem Kverneland RS-100. Tříbodový závěs použitého traktoru byl upraven pro tenzometrické snímání silových účinků. Jednotlivá táhla byla vybavena tenzometrickými snímači Hottinger. Použitý tenzometrický snímač horního táhla Hottinger U2B-100 umožňoval maximální zatížením 100 kn při maximální relativní chybě 0,1 %. Maximální zatížení tenzometrických snímačů ve zvedacích táhlech a dolních táhlech bylo 60 kn s relativní chybou 1% deklarovanou výrobcem. Modifikovaná dolní táhla nebyla opatřena možností připojení vymezovacích táhel Technická specifikace použitého traktoru Měření byla prováděna s traktorem Zetor P041 s pohonem všech čtyř kol. Úplná otáčková charakteristika přeplňovaného řadového šestiválcového motoru byla změřena pomocí dynamometru PTO na Mendlově univerzitě v Brně. Jmenovitý výkon dosáhl 68

69 hodnoty 81 kw s převýšením točivého momentu 45%. Traktor byl vybaven mechanickou převodovkou s čtyřmi rychlostmi v hlavní převodovce, třemi stupni v převodovce skupinové a třístupňovým násobičem točivého momentu. Celkem tedy 24 rychlostí vpřed a 16 rychlostí vzad. Na zadní nápravě byly použity pneumatiky Barum s označením 18,4 R38 s tlakem huštění 160 kpa. Přední náprava byla vybavena pneumatikami značky Taurus s označením 14,9 R24 s tlakem huštění 180 kpa. Traktor byl vybaven závažím v zadních kolech 12ks 30kg. Před rámem bylo použito 12ks 33,1kg a pod rámem traktoru 4ks 27 kg. Hmotnost připadající na přední nápravu byla 3006 kg. S celkovou hmotností traktoru 5390 kg pak na zadní nápravu připadlo 2384 kg. Rozložení hmotnosti dosahovalo 55,7 % na přední nápravu a 44,3 % na nápravu zadní Technická specifikace použitých pluhů Pro polní měření vlivu připojení nesených strojů na výkonnostní parametry orebních souprav byl použit nesený čtyřradličný otočný pluh Kverneland LS 95 s pevnými slupicemi jištěnými střižným šroubem. Technické řešení pluhu umožňovalo nastavit záběr orebních těles v rozsahu od 30 do 50 cm. Nastavení tahové linie pluhu a záběru prvního orebního tělesa bylo realizováno mechanicky. Další ze série polních měření bylo realizováno s pětiradličným otočným návěsným pluhem Kverneland RS-100 vybaveným slupicemi s prostorovým uchycením a s mechanickým jištěním pomocí listových pružin. Technické řešení pluhu umožňovalo nastavit záběr orebních těles v rozsahu od 30 do 45 cm. Rozestup orebních těles byl 1150 mm. Nastavení tahové linie pluhu a záběru prvního orebního tělesa bylo realizováno mechanicky Výkonnost a energetické parametry orební soupravy Pro výpočet prokluzu kol zadní nápravy bylo využito rovnice 5. δδ = LL 0 LL LL [%] (5) 69

70 kde : L - je dráha soupravy při 10 otáčkách kola traktoru při orbě [m] L 0 poloze [m] - je dráha soupravy při 10 otáčkách kola traktoru při jízdě s pluhem v transportní Průměrná hloubka orby byla vypočtena pomocí vztahu 6 a průměrný pracovní záběr byl vypočten dle rovnice 7. kde: h = nn ii=1 h ii nn 100 [mm] (6) n - počet měření [-] h i - i-tá hodnota hloubky orby [m] kde: n - počet měření [-] bb = nn ii=1 bb ii n b i - i-tá hodnota okamžitého záběru [m] 100 [m] (7) Následně bylo vypočteno kolísání pracovního záběru a hloubky orby pomocí variačního koeficientu dle vztahu 8. Nutno podotknout, že kolísání parametrů uvedených ve vyhodnocení polního měření dané variačním koeficientem, splnilo normu. kde: vv = ss x ss 100 [%] (8) s - směrodatná odchylka definovaná vzorcem 9 (záběru a hloubky orby) [m] ss = nn ii=1 (xx ii xx ss ) nn 1 [mm] (9) x i - i-tá hodnota záběru a hloubky [m] x s - průměrná hodnota sledovaného parametru [m] Z naměřených hodnot byly vypočteny výstupní parametry traktorové soupravy. Plošná efektivní výkonnost byla určena dle vztahu

71 WW ee = SS TT [haa. h 1 ] (10) kde: W e - efektivní výkonnost [ha.h -1 ] S T - zoraná plocha [ha] - měřený čas pro zorání měřicího úseku [s] Výpočet efektivní spotřeby paliva orební soupravou byl realizován pomocí rovnice 11. QQ ee = qq SS [ll. haa 1 ] (11) kde: Q e - efektivní spotřeba pavlia [l.ha -1 ] q S - spotřeba paliva na zorání parcely [l] - zoraná plocha [ha] Následně byla vypočtena měrná efektivní spotřeba paliva s využitím vztahu 12 a také měrná efektivní výkonnost určená vztahem 13. QQ eeee = QQ ee h [mmmm. mm 3 ] (12) kde: Q em - měrná efektivní spotřeba paliva [ml.m -3 ] Q e - efektivní spotřeba paliva [ha.h -1 ] h - hloubka orby [m] WW eeee = VV TT [mm 3. ss 1 ] (13) kde: W em - měrná efektivní výkonnost [m 3.s -1 ] V - objem zorané půdy [m 3 ] T - měřený čas pro zorání měřicího úseku [s] 71

72 5.1.4 Orební podmínky Měření byla realizována na písčito-hlinité půdě. Vyhodnocení hmotnostní vlhkosti půdy bylo realizováno dle normy ISO/DIS (1993). Během polního měření byly odebrány vzorky v různých hloubkách, které byly zváženy před umístěním do vysoušecí misky. Vzorky byly vysušeny ve vysoušečce a následně byla určena jejich hmotnostní vlhkost dle rovnice 14. ww = (mm 1 mm 2 ) 100 mm 2 [%] (14) m 1 hmotnost vzorku před vysušením [kg] m 2 hmotnost vzorku po vysušení (do konstantní hmotnosti) [kg] Průměrná hmotnostní vlhkost půdy nabývala hodnot 18% v hloubce 5 cm, 17,9% v hloubce 10 cm, 17,2% v hloubce 20 cm a 17,1% v hloubce 30 cm. V každém měřeném úseku bylo provedeno měření penetrometrického odporu půdy pomocí ručního kuželového penetrometru s digitálním záznamníkem Penetrologger od firmy Eijkelkamp splňující standard ASAE S113.3 (2004a). Pro tato měření byl zvolen hrot o ploše 1 cm 2 s vrcholovým úhlem 60. Rychlost vnikání hrotu byla nastavena na 3 cm.s -1. Průměrné hodnoty penetrometrického odporu v hloubce 10 cm dosáhly 1,4 MPa, v hloubce 20 cm pak 2,1 MPa a 2,0 MPa v hloubce 30 cm. 72

73 5.2 Metodika měření při orbě s návěsným pluhem vybaveným trakčním válcem Z hlediska přenosu zatížení z agregovaného návěsného pluhu na traktor není možné přenášet zatížení a momenty vyvozené od tíhy pluhu lokalizované v jeho těžišti. Důvodem je umístění horizontálního a vertikálního kloubu mezi upínací hlavou a hlavním rámem návěsného pluhu. Jsou však známá technická řešení, která umožňují vymezit pohyb okolo horizontálního kloubu. Zmiňovanou možností je použití hydraulického válce omezujícího pohyb vertikálního kloubu. Zkoumání tohoto jevu bylo cílem polního měření s návěsným pluhem Pöttinger SERVO 6.5, jenž je vybaven hydraulickým válcem v soupravě s traktorem John Deere 8295R. Analyzování vlivu použití trakčního válce bylo realizováno na vytyčeném 80 m dlouhém úseku v mírně kopcovitém terénu. Při všech měřeních byla nastavena plná dávka paliva. Hydromechanická převodovka byla nastavena do režimu pro udržení otáček motoru v rozsahu 1600 až 1800 ot.min -1. Orební souprava byla provozována v regulačním režimu elektrohydraulické regulace na konstantní polohu. Jelikož použitý traktor nedisponoval tenzometrickým tříbodovým závěsem, jako tomu bylo u předchozích měření, nebylo možné sledovat průběhy sil v dolních a zvedacích táhlech. Jakožto hlavní parametr charakterizující přenos vertikálního zatížení za účelem navýšení vertikálních sil působících na zadní nápravu, byla snímána pouze síla pomocí upraveného horního táhla vybaveného kalibrovaným tenzometrickým snímačem Höttinger U2B-100. Dalším sledovaným parametrem byla okamžitá hodinová spotřeba paliva, která byla odečítána ze sítě CAN BUS. Z hlediska výkonnosti orební soupravy byla po jejím každém přejezdu měřena hloubka orby a pracovní záběr. Měření hloubky orby bylo prováděno dle oborové normy ON Pracovní záběr byl odměřován dle normy ON Dalším monitorovaným parametrem byl prokluz hnacích kol, který byl vypočítáván na základě signálů z inkrementálních snímačů otáček kol. Před samotným polním měřením byly odečteny nulové prokluzy, tedy prokluzy kol s pluhem v transportní poloze. Časový průjezd měřeného úseku byl zaznamenáván přenosným počítačem umístěním v kabině traktoru, který sloužil zároveň jako úložné médium pro snímání signálu síly v horním táhle a dat vyčítaných ze sběrnice CAN BUS. 73

74 5.2.1 Technická specifikace použitého traktoru Základ orební soupravy tvořil traktor John Deere 8295R s výkonem motoru 190 kw, který byl vybaven dvoustupňovým systémem přeplňování s pevnou geometrií lopatek při prvním stupni a turbodmychadlem s variabilní geometrií lopatek při druhém stupni. Traktor byl vybaven hydromechanickou převodovkou pod označením IVT. Na přední nápravě byly použity pneumatiky Trelleborg 600/70 R 0 s tlakem huštění 1,5 bar. Zadní náprava byla osazena pneumatikami Trelleborg 650/85 R 38 s tlakem huštění 1,5 bar. Pro dotížení přední nápravy byla do předních pneumatik napuštěna voda. Celková hmotnost traktoru včetně řidiče a plné nádrže paliva dosáhla hodnoty kg s rozložením hmotnosti 54% na přední nápravu a 46% na nápravu zadní. Celková hmotnost i rozložení hmotnosti mezi přední a zadní nápravou byla zjištěna vážením. Rozchod kol přední nápravy byl 1840 mm se světlou šířkou mezi pneumatikami 1230 mm. Rozchod kol zadní nápravy byl 1930 mm se světlou šířkou taktéž 1230 mm. Během experimentálních měření se orební souprava pohybovala s otevřenou uzávěrkou diferenciálu Technická specifikace použitého pluhu Pro polní měření byl použit návěsný pluh Pöttinger SERVO 6.50 s modelovým označením S 6.50 N7 scharig/41w, typ 9851, rok výroby Jednalo se o sedmiradličný otočný pluh s automatickým hydropneumatickým jištěním orebních těles. Upínací hlava pluhu byla vybavena vertikálním a horizontálním otočným kloubem. Ten byl opatřen hydraulickým válcem s možností provozního tlaku v rozsahu bar, jehož obchodní označení nese název Traction Control. Seřízení pluhu bylo provedeno na pracovní hloubku 27 cm se záběrem 3,05 m. Orební souprava je zobrazena na obr

75 Obr. 31 Orební souprava John Deere 8295 R se sedmiradličným návěsným pluhem Pöttinger SERVO 6.50 v transportní poloze Orební podmínky Polní měření bylo realizováno v zemědělském podniku Zemspol a.s. Sloup u obce Vysočany, okres Blansko Lipiny. Jednalo se o orbu strniště pšenice ozimé v hlinité půdě s průměrnou vlhkostí 18% v hloubce 5 cm, 17,9% v hloubce 10 cm a 17,2% v hloubce 20 cm. Měření vlhkosti půdy bylo provedeno dle normy ISO/DIS (1993). Pomocí penetrometru byly naměřeny průměrné hodnoty penetrometrického odporu 0,5 MPa v hloubce 10 cm, 1,2 MPa v hloubce 20 cm a následně 2,8 MPa v hloubce 30 cm Výkonnostní a energetické parametry orební soupravy Na základě naměřených hodnot byly určeny pomocí rovnic uvedených v kapitole výkonnostní a energetické parametry orební soupravy traktoru John Deere 8295 R a návěsného sedmiradličného pluhu Pöttinger SERVO

76 5.2.5 Vážení traktorové soupravy Mimo polní měření realizované s orební soupravou s traktorem John Deere 8295R v agregaci s pluhem Pöttinger SERVO 6.50 bylo realizováno vážení této soupravy za účelem zjištění hmotnosti připadající na jednotlivá kola traktoru. Pro tento experiment byly použity nájezdné váhy HAENNI WL 103, které byly umístěny pod zadní kola. Nájezdné váhy spolu s jejich umístěním pod traktorem vyobrazeny na obr. 32. Obr. 32 Zjišťování hmotnosti připadající na jednotlivá kola traktoru Po vážení přední a zadní nápravy samotného traktoru bylo realizováno vážení, jehož výstupem bylo určení přenosu zatížení mezi pluhem a traktorem na základě tlaku v hydraulickém válci systému Traction Control. Před samotným umístěním traktoru na váhy byl pluh přestaven do polohy odpovídající poloze orbě vlevo. Takto nastavená orební souprava je zobrazena na obr

77 Obr. 33 Návěsný pluh Pötinger SERVO 6.50 v pozici odpovídající orbě vlevo Cílem experimentu bylo měření přenosu vertikálního zatížení gravitační síly působící v těžišti pluhu na zadní nápravu traktoru. Do hydraulického válce umístěného nad horizontálním kloubem je možné přivést tlakový olej z vnějšího hydraulického okruhu traktoru. Maximální tlak, uváděný výrobcem, je 150 bar. Po uzavření přívodu tlakového oleje dochází k vyvození předpětí mezi agregovaným pluhem a tříbodovým závěsem traktoru. Velikost vzniklého předpětí je přímo úměrná provoznímu tlaku hydraulického válce systému Traction Control. Z hlediska polohy těžiště sedmiradličného pluhu Pöttinger SERVO 6.50 je pak možné využít dříve zmíněného přenosu zatížení. Z celkové hmotnosti traktoru a části tíhy pluhu připadala na zadní nápravu hmotnost o velikosti 6752,8 kg. Přírůstek v hmotnosti připadající na zadní nápravu při tlaku v hydraulickém válci 15 MPa byl 980 kg. Hmotnost připadající na levé zadní kolo traktoru byla navýšena o 140 kg a zatížení pravého zadního kola bylo navýšeno o 840 kg. Experiment byl realizován v poloze při orbě vlevo (viz obr. 50). V tomto případě se levé zadní kolo pohybuje v brázdě a pravé zadní kolo po záhoně. Vlivem naklonění traktoru a přenosu sil přes tříbodový závěs dochází k výraznému zatížení levého zadního kola. Tyto poznatky byly potvrzeny snímáním a vyhodnocením silového působení orební soupravy s návěsným pluhem Kverneland RS 100. Pokud je však pluh vybaven hydraulickým válcem 77

78 nad horizontálním kloubem, je možné dotížit záhonové kolo výrazněji než kolo brázdové. Z výsledků vážení hmotnosti připadající na jednotlivá kola orební soupravy s návěsným pluhem Pöttinger SERVO 6.50 vyplývá, že při zvyšování tlaku v hydraulickém válci systému Traction Control dochází k přenosu hmotnosti na zadní nápravu se zvýšením vertikálního zatížení na kolo jedoucí po záhoně. Ve výsledku tedy dochází k vyrovnávání zatížení mezi brázdovým a záhonovým kolem zadní nápravy traktoru. Tento přenos zatížení příznivě ovlivňuje prokluz hnacích kol a pozitivním způsobem ovlivňuje výkonnost orební soupravy. Grafické závislosti naměřených a vypočtených hodnot jsou uvedeny v následující kapitole. 78

79 6 NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY Během polních měření se třemi orebními soupravami byly naměřeny klíčové parametry, které následně sloužily pro další výpočty. V následujících podkapitolách jsou uvedeny naměřené hodnoty pracovního záběru, hloubky orby, času na projetí úseku, spotřebovaného množství paliva a vypočtené parametry měrné a efektivní spotřeby paliva, efektivní výkonnosti a měrné efektivní výkonnosti za účelem hodnocení výstupních parametrů orebních souprav. Dále jsou v podkapitolách uvedeny dílčí výsledky naměřených sil v jednotlivých táhlech tříbodového závěsu, ze kterých jsou pak pomocí navrženého matematického modelu vyjádřeny silové výslednice působící pod koly traktoru. Veškeré výsledky jsou graficky a tabulkově zpracovány. Prezentované závislosti v kapitole výsledků měření byly testovány pomocí testu korelačního koeficientu R. V případě kdy p<0,05 byla sledovaná závislost statisticky významná. Při p<0,01 byla sledovaná závislost statisticky vysoce významná. Průběh silového působení v jednotlivých táhlech tříbodového závěsu orební soupravy s traktorem Zetor P041 s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vpravo s délkou horního táhla 635 mm je uveden na obr

80 F LD [kn] Force (kn) φ 7,9 FRLNK 4 F PD Force (kn) [kn] φ 8,9 FLLNK 4 F LZ [kn] F PZ [kn] F HT [kn] Force (kn) Force (kn) FLLR FRLR φ 20 φ 13,5 FULNK φ 10, Time (s) Obr. 34 Průběh záznamu sil v táhlech tříbodového závěsu při orbě vpravo s délkou horního táhla 635 mm s orební soupravou s pluhem Kverneland LS 95 a traktorem Zetor P041 80

81 6.1 Polní měření s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 Výsledky z polního měření s traktorem Zetor P v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS95 jsou uvedeny v následující podkapitole Naměřené a vypočtené hodnoty Naměřené průměrné hodnoty sil působící v jednotlivých táhlech tenzometrického tříbodového závěsu při délce horního táhla 700 mm při orbě vlevo jsou uvedeny v tab. 5. Průměrné hodnoty naměřených sil v jednotlivých táhlech při orbě vpravo jsou vedeny v tab. 6. Tab. 5 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vlevo s délkou horního táhla 700 mm Orba vlevo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 700 1L 0,15 6,89 11,36 11,46 10,12 HT 700 2L 0,28 6,65 11,39 11,63 9,88 HT 700 3L 0,08 7,03 11,36 11,43 10,13 Tab. 6 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vpravo s délkou horního táhla 700 mm Orba vpravo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 700 1P 1,32 12,35 7,46 12,99 11,51 HT 700 2P 1,25 12,07 7,42 12,34 12,39 HT 700 3P 1,20 12,20 7,30 12,47 11,86 Při nastavení délky horního táhla na hodnotu 700 mm dochází při orbě vlevo i vpravo k přenášení silových účinků převážně přes dolní a zvedací táhla, přičemž při orbě vlevo je pravé dolní táhlo zatěžováno více než levé dolní táhlo. Při orbě vpravo pak dochází 81

82 k většímu zatížení levého dolního táhla než pravého dolního táhla. V horním táhle jsou v obou případech zaznamenány nízké hodnoty silového působení, způsobené téměř volnou polohou čepu horního táhla v drážce stojánku pluhu. Vertikální síly působící na rám pluhu od orebních těles jsou zachyceny mezi opěrným kolem pluhu a zvedacími táhly tříbodového závěsu. Ve zvedacích táhlech jak při orbě vlevo, tak i při orbě vpravo, nedochází k výraznému rozdílu v tahových silách. Průměrné hodnoty sil působících v tříbodovém závěsu traktoru z polního měření při nastavení délky horního táhla na 665 mm, kterému odpovídá jeho střední předepnutí, jsou uvedeny v tab. 7 pro orbu vlevo a v tab. 8 pro orbu vpravo. Tab. 7 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vlevo s délkou horního táhla 665 mm Orba vlevo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 665 1L 10,94 3,34 5,84 12,40 16,68 HT 665 2L 10,33 3,16 6,56 12,77 16,40 HT 665 3L 9,80 3,55 6,34 12,66 15,41 Tab. 8 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vpravo s délkou horního táhla 665 mm Orba vpravo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 665 1P 7,20 9,59 6,33 16,25 13,72 HT 665 2P 7,06 10,05 6,29 16,03 13,65 HT 665 3P 6,77 9,27 6,48 15,75 13,50 Zkrácením délky horního táhla na 665 mm dochází k jeho předepnutí. Uvedená skutečnost má významný vliv na změnu silového působení v jednotlivých táhlech tříbodového závěsu. Dochází ke snížení působících sil v dolních táhlech za současného 82

83 zachování vyšší působící síly v levém dolním táhle při orbě vpravo a v pravém dolním táhle při orbě vlevo. Narůstá rozdíl mezi zatížením levého a pravého zvedacího táhla. Z výše uvedených naměřených hodnot je patrné, že zkrácení horního táhla způsobilo navýšení působící síly v tomto táhle. Průměrné hodnoty naměřených sil působících v tříbodovém závěsu traktoru při zkrácení délky horního táhla na 635 mm při orbě vlevo jsou uvedeny v tab.9 a při orbě vpravo pak v tab. 10. V obou případech se opěrné kolo pluhu zlehka dotýkalo povrchu půdy. Nastavení tříbodového závěsu v tomto případě odpovídalo maximálnímu předepnutí horního táhla. Tab. 9 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vlevo s délkou horního táhla 635 mm Orba vlevo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 635 1L 15,69 0,98 2,42 13,86 19,42 HT 635 2L 16,19 0,59 2,23 14,38 19,77 HT 635 3L 17,21-0,73 2,14 14,52 20,37 Tab. 10 Naměřené průměrné hodnoty sil působící v tříbodovém závěsu traktoru Zetor P041 v agregaci s neseným otočným pluhem Kverneland LS 95 při orbě vpravo s délkou horního táhla 635 mm Orba vpravo Horní táhlo F HT [kn] Levé dolní táhlo F LD [kn] Pravé dolní táhlo F PD [kn] Levé zvedací táhlo F LZ [kn] Pravé zvedací táhlo F PZ [kn] HT 635 1P 11,22 8,13 8,09 20,72 12,68 HT 635 2P 11,28 8,29 7,70 20,38 13,19 HT 635 3P 11,48 8,45 7,99 20,91 13,47 Nejvyššího dosaženého předpětí při polním měření s neseným pluhem Kverneland LS 95 bylo dosaženo s délkou horního táhla 635 mm. Při tomto nastavení dochází k výraznému přenos sil pomocí zvedacích táhel tříbodového závěsu a pomocí horního táhla. Při orbě vlevo je vyšší tahová síla ve zvedacím táhle pravém, při orbě vpravo pak ve zvedacím táhle 83

84 levém. Tento rozdíl v zatížení zvedacích táhlech byl způsoben vlivem vznikajícího momentu M x působícího okolo hlavní osy X. Vektor momentu M x mířící ve směru pohybu traktoru, byl tvořen od vertikálních sil působících na rám pluhu. Tyto síly jsou vyvozovány od orebního odporu a tíhovou silou pluhu, která je lokalizována jeho těžišti. Výsledný moment od těchto sil byl zachycen zvedacími táhly tříbodového závěsu. U orby vpravo lze sledovat totožný trend v zatížení zvedacích táhel jako tomu je u orby vlevo, s tím rozdílem, že při orbě vpravo je více zatíženo levé zvedací táhlo než zvedací táhlo pravé a naopak. Při tomto režimu práce dochází ke srovnání v zatížení mezi levým a pravým dolním táhlem. Naměřené hodnoty sil v jednotlivých táhlech byly použity jako vstupní parametry do navrženého matematického modelu. Následoval výpočet výsledných sil působících pod koly traktoru. Zvolený přístup umožnil určit výsledné silové a momentové působení, jenž vzniká při orbě a je přenášeno přes tříbodový závěs na traktor. Dále bylo možné nalézt závislosti mezi nastavením geometrie tříbodového závěsu a působením vertikálních sil na hnací kola traktoru. Znázornění smyslu působení vypočtených vertikálních sil pod jednotlivými nápravami ze zatíženého tříbodového závěsu je uvedeno na obr

85 F PPZ F PLZ F ZLZ F TX F ZPZ Obr. 35 Smysl působení sil pod koly traktoru vypočtené hodnoty Z obrázku je patrné označení jednotlivých sil. F PLZ je síla působící pod levým předním kolem traktoru. F PPZ je pak vertikální síla působící pod pravým předním kolem traktoru. Následně jsou vypočteny síly pod zadní nápravou, kde F ZLZ značí vypočtenou sílu pod zadním levým kolem a F ZPZ sílu působící pod zadním pravým kolem. Síla označená F TX je v matematickém modelu definována jako součet všech sil působících pod jednotlivými koly traktoru ve směru jeho pohybu, tedy ve směru osy X. Tato síla reprezentuje celkovou tahovou sílu potřebnou pro pohyb orební soupravy. Vypočtené silové zatížení pod jednotlivými koly traktoru při různých délkách nastavení horního táhla z experimentálního měření s pluhem Kverneland LS 95 při orbě vlevo jsou uvedeny v tab