Vliv svahu na energetické a exploatační parametry zemědělské dopravy Shrnutí Článek se zabývá vyhodnocením provozních měření traktorových dopravních souprav s cílem stanovit vliv svahu na energetické a exploatační parametry zemědělské dopravy. Provozní měření probíhala v podniku, který hospodaří v horských podmínkách. Ze zaznamenaných dat byla k vyhodnocení vybrána práce soupravy traktoru a sběracího návěsu při přepravě zavadlých pícnin, která představuje značně energeticky náročnou operaci. Klíčová slova Zemědělská doprava, spotřeba paliva, přepravní výkon, svažitost trasy. Abstract This paper deals with the evaluation of operating measurement of a tractor with a trailer in order to determine the effect of transport route gradient on the energy and exploitation parameters in agricultural transport. Operational measurements were made on the farm, which is located in mountainous region. The work of tractor with silage trailer was selected to evaluate from recorded data, because energy intensity of this operation is very high. Key words Agricultural transport, fuel consumption, transport performance, route gradient Úvod paliva při dopravě a přepravní výkon jsou ovlivněny mnoha parametry. Kromě parametrů jako jsou např. výkon motoru traktoru, jeho konstrukce a technický stav je, především při hospodaření v horských oblastech, významný vliv svahu. Při sestavování soupravy, která má pracovat ve svažitém terénu je nutno vliv svahu zohlednit. V opačném případě hrozí riziko nízké výkonnosti dané operace, pokud by byl zvolen traktor s nedostatečným výkonem motoru. Naopak volba traktoru s nadbytkem výkonu motoru zajistí vysoký přepravní výkon, ale za cenu nadměrné spotřeby paliva, protože motor nebude moci pracovat v optimálním režimu. Cílem článku je vyhodnotit rozdíly ve spotřebě paliva a výkonnosti při dopravě sledovanou soupravou, která probíhala na trasách s různou svažitostí.
Metodika měření a vyhodnocení dat Sledovaný traktor Case IH MX15 o jmenovitém výkonu 114 kw byl vybaven soupravou pro záznam energetických a exploatačních parametrů během práce traktoru. Tato souprava se skládá z GPS přijímače Garmin GPS 35-HVS, průtokoměru paliva EDM 144 a ukladače dat. Soupravu uváděla v činnost obsluha traktoru a po jejím zapnutí byly v nastaveném intervalu (1 s) zaznamenávány následující údaje: datum a čas, geografické souřadnice (zeměpisná šířka a zeměpisná délka), spotřeba paliva za uplynulý časový interval. Zaznamenávání údajů probíhalo během celého roku 28, což umožňuje vyhodnotit sledované parametry pro různé práce prováděné sledovaným traktorem v průběhu tohoto období. Sledovaný traktor pracoval v Šumavském statku Nicov, který se nachází v nadmořské výšce cca 87 m n.m ve svažité Chráněné krajiné oblasti Šumava. Vzhledem k tomu, že katastr statku patří do horské oblasti, má většina obhospodařovávaných pozemků svažitý charakter a také profil dopravních tras je značně svažitý. Pro účely určení vlivu svahu na energetické a exploatační parametry zemědělské dopravy byla vyhodnocena doprava zavadlých pícnin sběracím návěsem, která probíhala ve dnech 29.5. 2.6.28. Sledovaná dopravní souprava se skládala z výše zmíněného traktoru Case IH MX15 a sběracího návěsu Taarup 13. Přehled základních technických parametrů soupravy uvádí tab. 1. Vzhledem k tomu, že se jednalo o měření během běžného provozu v podniku, nevážila se souprava při každé jízdě. Podle informací z podniku odpovídala průměrná hmotnost nákladu užitečné hmotnosti sběracího návěsu (7 kg). Protože bylo vyhodnoceno velké množství cyklů, lze drobné odchylky skutečné hmotnosti přepravovaného nákladu od předpokládané hmotnosti zanedbat. Úvodní zpracování zaznamenaných dat bylo provedeno pomocí programu Sledování zemědělské techniky, vyvíjeného ve VÚZT. Tento program ze zaznamenaných údajů vypočte vzdálenost, průměrnou rychlost a spotřebu paliva mezi jednotlivými body trasy. Protože v průběhu měření nebyly zaznamenávány informace o nadmořské výšce, bylo nutno tyto údaje doplnit. K doplnění výškových údajů byl použit program Google Earth, který obsahuje výškový model terénu. Toto umožňuje pro každý zaznamenaný geografický bod určit s dostatečnou přesností nadmořskou výšku. Úhly svahu mezi jednotlivými zaznamenanými body trasy byly poté vypočteny ze vzdálenosti těchto bodů a jejich výškového rozdílu.
Protože naměřená data obsahovala záznam celého pracovního cyklu soupravy (sběr, jízda s nákladem, vykládka a jízda bez nákladu), byl celý záznam rozdělen na jednotlivé fáze cyklu. Pro účely určení vlivu svahu na dopravu v zemědělství byly dále zpracovávány jen části záznamu obsahující informace o jízdě s nákladem a jízdě bez nákladu. Vzhledem k tomu, že energetické a exploatační parametry dopravní soupravy jsou ovlivněny nejen svahem, ale také druhem povrchu (silnice, polní cesta apod.), byly pro eliminaci tohoto vlivu záznamy jednotlivých jízd zkráceny o úseky mimo silnici (druh povrchu v jednotlivých úsecích trasy byl určen promítnutím záznamu trasy do mapových podkladů). Průměrná svažitost každé trasy byla určena z úhlů svahu a délek jednotlivých zaznamenaných úseků trasy podle vztahu: α α l i i =, l kde: α průměrná svažitost trasy [ ] i α i úhel svahu úseku trasy [ ] l i délka úseku trasy [m] Pro jednotlivé jízdy soupravy byly poté pomocí programu Sledování zemědělské techniky určeny následující ukazatele: délka trasy, doba jízdy, celková spotřeba, průměrná rychlost, jednotková spotřeba, přepravní výkon, průměrná svažitost. Vzhledem k tomu, že souprava projížděla tutéž trasu zpravidla opakovaně, byly záznamy jednotlivých jízd rozčleněny na příslušné rozdílné trasy. Z dalšího zpracování byly vynechány ty trasy, na nichž souprava vykonala pouze jeden cyklus. Dále byly vynechány trasy, jejichž délka je menší než jeden kilometr, protože u velmi krátkých přepravních vzdáleností převládá vliv vzdálenosti na průměrnou rychlost nad vlivem svažitosti. Pro každou trasu byly ze všech jízd, které souprava absolvovala na této trase, vypočteny průměrné hodnoty výše uvedených ukazatelů. Tyto průměrné hodnoty byly určeny
zvlášť pro jízdu s nákladem a pro jízdu bez nákladu. Z těchto hodnot byly vypočteny hodnoty za celý přepravní cyklus (jízda s nákladem + jízda bez nákladu). Pro sledovanou soupravu byl z vyhodnocených závislostí spotřeby paliva na průměrné svažitosti určen vztah pro výpočet součinitele svažitosti, který umožňuje vyjádřit spotřebu paliva soupravy podle následujícího vztahu: Q = k Q, sv sq kde: Q sv spotřeba paliva na svažité trase [l/tkm], [l/t], [l/km] k sq součinitel svažitosti pro spotřebu [ ], Q spotřeba paliva na rovině [l/tkm], [l/t], [l/km]. Výsledky měření Ze záznamu práce výše zmíněné traktorové soupravy bylo vyhodnoceno celkem sedm rozdílných tras, na kterých probíhala přeprava zavadlých pícnin. Přehled vyhodnocovaných tras udává tab. 2. Největší počet cyklů (13) vykonala souprava na Trase 1. Nejnižší počet cyklů (2) vykonala souprava na Trase 7. Hodinová spotřeba paliva a rychlost se v průběhu jízdy významně mění, jak dokládají obr. 1 až 4 pro dvě vybrané trasy. Jízda bez nákladu představuje vždy jízdu ze statku směrem k pozemku. Jízda s nákladem představuje jízdu od pozemku do statku. Zákres obou tras v mapě je uveden na obr. 5. Průměrné hodnoty energetických a exploatačních parametrů při jízdě s nákladem pro jednotlivé trasy jsou uvedeny v tab. 3 a graficky znázorněny na obr. 6. Z obrázku je patrný očekávaný nárůst spotřeby paliva s rostoucí průměrnou svažitostí trasy. Tato závislost je přibližně lineární. Zjištěný vztah pro výpočet součinitele svažitosti při jízdě s nákladem je: ksqn = 1+, 2519 α, kde: α průměrná svažitost trasy [ ] Závislost průměrné rychlosti, která určuje výkonnost přepravy, je nelineární a dosahuje svého maxima při průměrné svažitosti cca -,5. Při vyšších hodnotách průměrné svažitosti klesá rychlost přepravy, což je způsobeno výkonovým omezením motoru. Pokles průměrné rychlosti při záporných hodnotách svažitosti je způsoben požadavky na možnost bezpečného zastavení soupravy v případě nouze. Výsledky sledovaných parametrů pro jízdu soupravy bez nákladu udává tab. 4 a graficky znázorňuje obr. 7. Závislost rychlosti na svažitosti trasy je při jízdě bez nákladu
obdobná jako při jízdě s nákladem s tím rozdílem, že spotřeba paliva je při stejné svažitosti menší vzhledem k nižší hmotnosti soupravy. Zjištěný vztah pro výpočet součinitele svažitosti při jízdě bez nákladu je: ksqb = 1+,179 α. Také v případě jízdy soupravy bez nákladu má vyšší hodnota průměrné svažitosti trasy vliv na snížení průměrné rychlosti. Pokles rychlosti se změnou svažitosti je však méně výrazný než v případě jízdy soupravy s nákladem. Přepravní výkon a jednotková spotřeba za celý přepravní cyklus pro jednotlivé trasy je uveden v tab. 5 a graficky znázorněn na obr. 8. Kladná hodnota svažitosti představuje jízdu do svahu při jízdě s nákladem. Sledovaná souprava vykazovala nejnižší jednotkovou spotřebu při průměrné svažitosti cca -,3. Při této svažitosti byl také dosažený přepravní výkon nejvyšší. Při vyšších absolutních hodnotách svažitosti trasy dochází k poklesu přepravního výkonu a nárůstu spotřeby paliva. Diskuze a závěr Vyhodnocení práce soupravy Traktoru Case IH MX15 se sběracím návěsem při přepravě zavadlých pícnin potvrdilo předpoklad růstu spotřeby paliva s rostoucí průměrnou svažitostí trasy a to jak při jízdě s nákladem tak při jízdě bez nákladu. Závislost spotřeby paliva na svažitosti trasy má lineární charakter, jak je patrné i ze zjištěných součinitelů svažitosti pro jízdu s nákladem a jízdu bez nákladu. Průměrná rychlost soupravy při jízdě s nákladem vykazuje maximum při průměrné svažitosti cca -,5, při jízdě bez nákladu vykazuje maximum při svažitosti cca -1,3. Při vyšších nebo nižších hodnotách svažitosti dochází k poklesu průměrné rychlosti a tedy i přepravního výkonu. Hodnocení spotřeby a přepravního výkonu za celý přepravní cyklus (jízda s nákladem a zpětná jízda bez nákladu na téže trase) prokázalo, že spotřeba paliva je nejnižší při průměrné svažitosti blízké nule, kdy také dosahuje souprava nejvyšších hodnot přepravního výkonu. Nárůst spotřeby paliva i v oblasti záporné svažitosti, kdy jízda s nákladem probíhá převážně ze svahu, je způsoben především vysokou energetickou náročností zpětné jízdy soupravy do svahu.
Výsledky práce budou využity k zpřesnění algoritmů pro modelování dopravních procesů v zemědělství, které umožňují vyhodnotit spotřebu paliva a výkonnost dopravy na určité trase v závislosti na její svažitosti.
Použitá literatura: [1] Jílek, L. Pražan, R. Gerndtová, I. Využití výkonu motoru a spotřeba paliva při dopravě. Mechanizace zemědělství. 27, č. 6, s. 56-59. [2] Syrový, O., et al. Doprava v zemědělství. Praha : Vydavatelství Profi Press, 28. 248 s. ISBN 978-8-86726-3-4. Autoři článku: Ing. Karel Kubín Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta Michal Novák Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i. Lektoroval: Prof. Ing. Radomír Adamovský, DrSc. Corresponding autor: Ing. Karel Kubín; Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta Tel.: + 42 233 22 536, kubin@tf.czu.cz Tento článek vznikl v rámci řešení projektu č. 1G5855 Obhospodařování travních porostů a údržba krajiny v podmínkách svažitých chráněných oblastí a horských oblastí LFA.
Tab. 1 Technické parametry sledované soupravy Traktor Case IH MX15 Sběrací návěs Taarup 13 Jmenovitý výkon motoru 114 kw Užitečná hmotnost 7 kg (dle výrobce) Provozní hmotnost 378 kg Provozní hmotnost 83 kg Ložný objem 3,3 m 3 Tab. 2 Přehled vyhodnocovaných tras Označení trasy Délka trasy [km] Počet cyklů Nejnižší bod trasy [m n.m.] Nejvyšší bod trasy [m n.m.] Trasa 1 4,31 13 748 886 Trasa 2 3,42 4 788 886 Trasa 3 3,31 3 786 886 Trasa 4 1,61 4 87 886 Trasa 5 1,4 4 877 95 Trasa 6 1,2 3 878 947 Trasa 7 1,74 2 87 886 Hodinová spotřeba [l/h] Průměrná rychlost [km/h] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Rychlost Výška 9 88 86 84 82 8 78 76 Nadmořská výška [m n.m.] 1 2 3 4 5 Vzdálenost [km] 74 Obr. 1 Průběh sledovaných ukazatelů v závislosti na ujeté vzdálenosti (Trasa 1 bez nákladu)
5 9 Hodinová spotřeba [l/h] Průměrná rychlost [km/h] 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Rychlost Výška 1 2 3 4 5 Vzdálenost [km] 88 86 84 82 8 78 76 74 Nadmořská výška [m n.m.] Obr. 2 Průběh sledovaných ukazatelů v závislosti na ujeté vzdálenosti (Trasa 1 s nákladem) 45 4 35 Rychlost Výška 97 96 95 Hodinová spotřeba [l/h] Průměrná rychlost [km/h] 3 25 2 15 1 94 93 92 91 9 89 Nadmořská výška [m n.m.] 5 88,2,4,6,8 1 1,2 Vzdálenost [km] 87 Obr. 3 Průběh sledovaných ukazatelů v závislosti na ujeté vzdálenosti (Trasa 6 bez nákladu)
45 4 35 Rychlost Výška 96 95 94 Hodinová spotřeba [l/h] Průměrná rychlost [km/h] 3 25 2 15 1 5 93 92 91 9 89 88 Nadmořská výška [m n.m.],2,4,6,8 1 1,2 Vzdálenost [km] 87 Obr. 4 Průběh sledovaných ukazatelů v závislosti na ujeté vzdálenosti (Trasa 6 s nákladem)
Obr. 5 Průběh Trasy 1 (modrá) a Trasy 6 (červená) v mapě Tab. 3 Průměrné energetické a exploatační parametry soupravy při jízdě s nákladem Označení trasy Doba jízdy Délka trasy [km] Průměrná svažitost [ ] Průměrná rychlost [km/h] [l/km] Trasa 1 :1:14 4,35 1,5 25,6,918 Trasa 2 :7:13 3,38 1,28 28,1,885 Trasa 3 :7:13 3,36 1,25 27,9,824 Trasa 4 :2:48 1,6 -,28 34,5,67 Trasa 5 :2:58 1,5-3,28 21,4,29 Trasa 6 :3:45 1,18-2,82 19,,375 Trasa 7 :3:1 1,72 -,21 32,7,614
1 4,9 y = -1,7722x 2-1,59x + 32,626 R² =,864 35 motorové nafty [l/km],8,7,6,5,4,3,2,1 y =,1235x +,691 R² =,9742 Rychlost 3 25 2 15 1 5 Průměrná rychlost [km/h] -4-3 -2-1 1 2 Průměrná svažitost [ ] Obr. 6 Závislost spotřeby motorové nafty a rychlosti na průměrné svažitosti trasy (jízda s nákladem) Tab. 4 Průměrné energetické a exploatační parametry soupravy při jízdě bez nákladu Označení trasy Doba jízdy Délka trasy [km] Průměrná svažitost [ ] Průměrná rychlost [km/h] [l/km] Trasa 1 :8:3 4,27-1,43 31,9,46 Trasa 2 :5:5 3,45-1,33 35,5,376 Trasa 3 :5:37 3,26-1,14 34,9,369 Trasa 4 :2:47 1,61,25 34,9,573 Trasa 5 :2:48 1,2 3,47 21,9 1,7 Trasa 6 :3:27 1,21 2,73 21,2,983 Trasa 7 :3:2 1,76,22 31,6,656
1,2 4 1 35 motorové nafty [l/km],8,6,4,2 y = -,5889x 2-1,6968x + 33,13 R² =,8866 y =,1451x +,576 R² =,9856 Rychlost 3 25 2 15 1 5 Průměrná rychlost [km/h] -2-1 1 2 3 4 Průměrná svažitost [ ] Obr. 7 Závislost spotřeby motorové nafty a rychlosti na průměrné svažitosti trasy (jízda bez nákladu) Tab. 5 Průměrné energetické a exploatační parametry soupravy za přepraní cyklus (jízda s nákladem a jízda bez nákladu) Označení trasy Doba cyklu Délka trasy [km] Průměrná svažitost [ ] Přepravní výkon [tkm/h] Jednotková spotřeba [l/tkm] Trasa 1 :18:17 4,31 1,47 98,99,1898 Trasa 2 :13:3 3,42 1,3 19,97,1795 Trasa 3 :12:5 3,31 1,19 18,38,1714 Trasa 4 :5:34 1,61 -,27 121,21,1685 Trasa 5 :5:45 1,4-3,37 75,64,1923 Trasa 6 :7:12 1,2-2,77 69,78,195 Trasa 7 :6:3 1,74 -,22 112,44,1815
,2 14,2 12 motorové nafty [l/tkm],19,19,18,18,17 Jednotková spotřeba Přepravní výkon y = -4,2934x 2 -,3571x + 114,36 R² =,8543 y =,22x 2 +,1x +,1754 R² =,575 1 8 6 4 2 Přepravní výkon [tkm/h],17-4 -3-2 -1 1 2 Průměrná svažitost [ ] Obr. 8 Závislost jednotkové spotřeby paliva a přepravního výkonu za přepravní cyklus (jízda s nákladem a bez nákladu) na průměrné svažitosti