EKONOMIKA PRÁCE STROJŮ V ROSTLINNÉ VÝROBĚ Prof. Ing. František Bauer Konkurenceschopnost a kvalita - inovace v zemědělském sektoru
KONKURENCESCHOPNOST - PODMÍNKA Ekonomika provozu traktorů a inovace v mechanizaci ÚSPĚCHU PODNIKÁNÍ V ZEMĚDĚLSTVÍ I OAKHrádek 23, Ústí nad Orlicí 22.1.2014 – Penzion Koliba, 13.12.2012 Nové město Hrádek 562 01 na Moravě
10.0 EKONOMIKA PRÁCE TRAKTOROVÝCH SOUPRAV. 10.1. Ekonomika práce spalovacího motoru Rozhodující část provozních nákladů traktorových souprav, kterou může ovlivnit obsluha, je tvořena spotřebou paliva. Jednou z výhod pístových spalovacích motorů je jejich snadná regulovatelnost, to znamená, že se dají jednoduše přestavit do různých režimů s rozdílnými otáčkami, točivým momentem a měrnou spotřebou. Dnešní traktorové motory se vyznačují vysokým převýšením točivého momentu v poměrně širokém rozmezí otáček, při kterých motor vykazuje téměř konstantní výkon. Uvedené vlastnosti lze u traktorového motoru využít v provozu tak, že nastavíme tzv. ekonomický režim, při kterém motor pracuje s nízkou měrnou spotřebou a s vysokou účinností. Pro zajištění ekonomiky provozu je nutné mít k dispozici dostatek informací o jednotlivých provozních režimech motoru [36]. Informace získáme z úplné otáčkové charakteristiky viz obr.10.1.1 Z úplné charakteristiky lze pro jakýkoliv režim práce motoru určit nejdůležitější parametry, otáčky, točivý moment , výkon a měrnou spotřebu. Z těchto hodnot lze snadno stanovit hodinovou spotřebu paliva ze vztahu: M ph
kde:
Pe m pe p
10 3
[l.h-1]
(10.1)
Mph – hodinová spotřeba paliva (l.h-1) Pe – efektivní výkon motoru (kW) mpe – efektivní měrná spotřeba paliva (g.kW-1.h-1) p – měrná hmotnost paliva (kg.l-1).
Při známé ceně paliva můžeme potom snadno stanovit provozní náklady na spotřebovanou naftu. Vzhledem k tomu, že cena ropy na světovém trhu neustále stoupá a do budoucna lze předpokládat že nadále poroste, bude narůstat také cena nafty. I přes možnost použití alternativních paliv budou náklady na palivo stoupat. V současné době tvoří náklady na nákup nafty největší část provozních nákladů traktorů. Jak je možné, při tahovém zatížení traktoru snížit spotřebu nafty si ukážeme na následujícím příkladě. Na Obr. 10.1.1 jsou na křivce průběhu točivého momentu při plné dodávce paliva, vyznačeny dva body označené I a II. Z charakteristiky je patrné, že v těchto bodech pracuje
II 210
I
P (kW)
Točivý moment (Nm)
220
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50
230 240 250 260 270 280 300 350 400
1200
1400
1600
1800
2000
2200
-1
Otáčky motoru (min )
Obr. 10.1.1 Úplná otáčková charakteristika traktorového motoru. motor se stejným výkonem 150 kW. Měrná spotřeba motoru je ale rozdílná, v bodě I je 230 g.kW-1.h-1 a v bodě II je měrná spotřeba 210 g.kW-1.h-1. V režimech I a II spotřebuje motor za hodinu práce následující množství nafty: (dle vztahu 10.1 ) I: M phI
150 230 10 3 41,6 [l.h-1]. 0,830
M phII
150 210 10 3 37,9 [l.h-1]. 0,830
II:
Rozdíl v hodinové spotřebě mezi oběma režimy činí 3,7 l.h-1. Při ceně nafty 37 Kč za litr je rozdíl v nákladech
N ph 3,7 37 137 [Kč.h-1]. Je nutné zdůraznit, že na uvedeném příkladě pracuje motor v obou režimech se stejným výkonem 150 kW, ale při různých otáčkách. V režimu I., který můžeme označit jako neekonomiký, motor pracuje při otáčkách 2000 min-1, v ekonomickém režimu II. při 1770 min-1.
Pro uživatele je důležité vědět, jak může ekonomický režim práce motoru dosáhnout. K tomu, abychom mohli motor traktoru provozovat v ekonomickém režimu, je potřebné aby traktor byl vybaven: -
motorem s převýšením točivého momentu 40 % a více,
-
převodovkou s
– násobičem točivého momentu
- řazením všech stupňů pod zatížením (Power Shift),
- plynulou změnou převodového poměru (CVT).
Chceme-li provozovat motor traktoru v ekonomickém režimu, musíme splnit další důležitou podmínku a to zatížit strojem motor tak, aby byly docíleny ekonomické otáčky, přičemž rychlost soupravy musí odpovídat požadavkům na prováděné agrotechnické operace ( např. u orby 5 – 8 km.h-1). Pokud není některá z uvedených podmínek splněna, stěží je možno
motor traktoru
do ekonomického režimu dostat, nebo jej v tomto režimu udržet. Aby motor pracoval ekonomicky, v oblasti otáček kolem 1600 min-1 (viz obr. 10.1.1), musí řidič při tahové práci se soupravou nastavit na motoru plnou dodávku paliva a řazením převodových stupňů zatížit motor tak, aby jeho otáčky klesly na požadovanou hodnotu. Otáčky se neupravují změnou dodávky paliva, ale změnou zatížení řazením převodových stupňů pod zatížením nebo plynulou změnou převodového poměru. Volba ekonomických otáček závisí na velikosti a kolísání pracovního odporu připojeného stroje. Obecně lze říci, že pokud dochází k velkému kolísání odporu, volí se vyšší otáčky motoru, tak aby motor pracoval s vyšší rezervou momentu. Pokud dochází při práci k nízkému kolísání odporu, volí se nižší rezerva točivého momentu a také nižší otáčky (blíže k maximálnímu točivému momentu). Udržet motor v ekonomickém režimu, při měnícím se zatížení, vyžaduje od obsluhy stálou pozornost. Stálá soustředěnost vede únavě, a obsluha ve většině případů není schopna takto pracovat po celou směnu. Proto jsou moderní traktory vybaveny automatickým řazením s možností nastavení režimu, ve kterém má motor pracovat. Automatika řazení spolu s elektronikou zajistí, i při měnícím se zatížení ekonomický režim motoru [25,138]. U traktorových motorů s elektronickým řízením lze také omezit maximální otáčky. Elektronika motoru potom nedovolí překročení nastavených maximálních otáček. Korekce otáček se v tomto případě provádí změnou dodávky paliva. Při snížení zatížení motoru narůstají otáčky a po dosažení nastavené hodnoty elektronické řízení motoru sníží dodávku paliva a udržuje nastavené otáčky. Dodávka paliva se snižuje až do okamžiku dosažení rovnováhy mezi výkonem motoru a příkonem stroje včetně ztrát. Na obr.10.1.2 je v úplné
charakteristice vynesen průběh točivého momentu, při nastavení maximálních otáček 1800 min-1. Motor je regulován podle svislé červené čáry. Jak je z grafu patrné, když dojde ke zvýšení odporu stroje, což se projeví v nárůstu požadovaného momentu motoru o hodnotu Mt (tučná červená čára), elektronika postupně zvyšuje dodávku paliva, až motor dosáhne maximální moment, který přísluší nastaveným otáčkám. Pokud odpor stroje dále roste, otáčky klesají a obsluha musí řadit.
210
Mt
P (kW)
220
Točivý moment (Nm)
150 140
230
130 240
120
250
100
110 90
260
80
270 280
70 60
300
50
350 400
1200
1400
1600
1800
2000
2200
-1
Otáčky motoru (min )
Obr. 10.1.2 Nastavení maximálních otáček 1800 min-1 na elektronice řízení motoru.
10.2 Vliv zatížení traktoru na ekonomiku práce motoru. Výše popsané režimy práce motoru byly ověřeny při práci soupravy traktoru JOHN DEERE 8320 R s kombinovaným kypřičem KÖCKERLING VECTOR 800 (viz obr. 10.2.1)1. Jedná se o návěsný kypřič s konstrukčním záběrem 8 m, se třemi řadami odpružených šípových radliček, odpruženými nivelátory a kotoučovými válci. Měření soupravy proběhlo na pozemku s hlinito písčitou hnědozemní půdou. Pracovní hloubka radliček kypřiče byla nastavena na 16 cm. Při zkouškách byl sledován vliv zatížení motoru na energetické a výkonnostní parametry soupravy. V první skupině měření byl motor traktoru udržován na maximálním výkonu, tzn. v oblasti otáček 1950 min-1 (předem ověřeno ve vozidlových laboratořích na Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně). Další skupina měření byla realizována v ekonomické oblasti práce motoru při otáčkách 1700 min-1, kdy motor disponuje maximálním točivým momentem. V obou režimech byla nastavena plná dodávka paliva. Snížení otáček motoru na 1700 – 1750 min-1, bylo dosaženo vhodným řazením převodových stupňů. Při práci soupravy na pozemku, byl k síti CAN-Bus traktoru připojen měřící počítač, do kterého se ukládala ujetá dráha, průměrné otáčky motoru, operativní čas, hodinová spotřeba, skutečná a teoretická rychlost traktoru rychlost. Současně byly zaznamenávány ještě další veličiny pro zajištění stejných podmínek práce motoru. Z naměřených hodnot byly vypočteny výkonnosti soupravy, spolu s efektivní a měrnou spotřebou paliva. Získané hodnoty jsou uvedeny v tab. 10.2.1 a pro větší přehlednost jsou vyneseny do sloupcových grafů na obr. 10.2.2 a 10.2.3. Z tabulky a grafů je vidět, že kolový traktor JD 8320 v soupravě s kypřičem, dosahoval v režimu otáček motoru v rozmezí 1900 – 2000 min-1, průměrnou efektivní výkonnost 5,4 ha.h-1 a průměrnou efektivní spotřebu paliva 11,09 l.ha-1. Naproti tomu v pracovním režimu, kdy byly otáčky motoru udržovány v oblasti 1700 – 1750 min-1, byla dosažena průměrná efektivní výkonnost 6,19 ha.h-1, což představuje nárůst výkonnosti o 14,21 %. Současně také došlo ke snížení efektivní spotřeby paliva z
11,09 l.ha-1 na
9,82 l.ha-1 tedy o 11,45 %. Průměrný prokluz v obou pracovních režimech u kolového traktoru byl 20,22 %. Traktor byl opatřen stupňovitou převodovkou PowerShift řazenou při zatížení. Na obr. 10.2.4 je znázorněna úplná charakteristika motoru měřeného traktoru s vyznačením oblastí otáček ve kterých bylo realizováno měření. Při bližším pohledu na graf a tabulku 10.2.1, je zřejmé, že při nižších otáčkách motoru došlo k poklesu měrné spotřeby asi o 5 g/kWh, ale hodinová spotřeba se vlivem mírného nárůstu výkonu o 0,65 l/h zvýšila, což je
asi o 1 %. Uvedené zvýšení hodinové spotřeby je ale kompenzováno zvýšením pracovní rychlosti, tedy nárůstem výkonnosti o více jak 14 % a poklesem hektarové i měrné spotřeby paliva, v našem případě, o téměř 11,5 %. Konkrétní úspora paliva závisí na mnoha činitelích. Jsou to především půdní podmínky, typ a seřízení pracovního stroje, typ a vybavení traktoru, schopnosti obsluhy a další. V uvedeném příkladu bylo udržování ekonomického režimu práce motoru zajišťováno manuálním řazením převodových stupňů při plné dodávce paliva. To klade vyšší nároky na pozornost obsluhy. Řidič zpravidla není schopen po delší dobu zajišťovat plné vytížení motoru. Proto jsou moderní traktory vybavovány elektronickým řízením motoru a převodovky. Řidič si může zvolit z několika režimů automatického řazení nejvhodnější pro konkrétní podmínky. Má možnost si podle typu a vybavení traktoru volit z minimálně ze dvou režimů práce, a to při maximálním výkonu motoru a při ekonomických otáčkách. Automatické řazení podstatně sníží zatížení řidiče a zajistí udržování nastaveného režimu otáček motoru po celou dobu práce. Pro dosažení Ekonomického režimu je ale bezpodmínečně nutné, aby byl sladěn tahový výkon traktoru s příkonem stroje. Jinak řečeno, aby k traktoru s vysokým výkonem motoru nebyl připojen stroj s malým pracovním záběrem, tedy nízkým příkonem, a nebo naopak. V takovém případě nelze ekonomický režim práce dosáhnout ani s využitím dokonalé automatiky na traktoru.
Obr. 10.2.1 Traktor JOHN DEERE 8320 R v agregaci s radličkovým kypřičem KÖCKERLING VECTOR 800.
Tab. 10.2.1 Naměřené a vypočtené hodnoty pracovní soupravy JOHN DEERE 8320 R, kombinovaný kypřič KÖCKERLING VECTOR 800 rozměr
Parametr Číslo měření
[-]
Pracovní režim motoru
[-]
Průměrné otáčky motoru
93
94
Průměr
95
režim při max. výkonu motoru -1
[min ] -1
Spotřeba paliva
Hodnota
[l.h ] -1
96
97
98
Průměr
ekonomický režim motoru
1943
1922
1964
1943
1718
1751
1697
1722
60,06
60,57
59,60
60,08
60,32 60,98
60,90
60,73
Rychlost
[km.h ]
6,89
6,75
7,20
6,95
7,55
8,10
8,20
7,95
Prokluz
[%]
23,34
23,37
22,02
22,91
21,30 19,63
19,74
20,22
Průměrná hloubka kypření
[m]
Efektivní výkonnost
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
-1
5,40
5,25
5,62
5,42
5,89
6,33
6,35
6,19
-1
11,11
11,54
10,61
11,09
10,25
9,64
9,59
9,82
6,95
7,21
6,63
6,93
6,41
6,02
5,99
6,14
[ha.h ]
Efektivní spotřeba paliva
[l.ha ] -3
Měrná ef. spotřeba
[ml.m ]
6,19
7
výkonnost (ha/h)
6 5,42
5 4 3 2 1 0
96
97
98
93
94
95
Průměr
číslo měření Maximální výkon motoru
Ekonomický režim
Obr. 10.2.2 Výkonnost soupravy traktoru JD 8320R s kypřičem KÖCKERLING VECTOR 800 při maximálním výkonu motoru a při práci v ekonomickém režimu.
11,09
12
spotřeba palivat (l/ha)
10
9,82
8 6 4 2 0
96
97
98
93
94
95
Průměr
číslo měření Ekonomický režim
Maximální výkon motoru
Obr. 10.2.3 Hektarová spotřeba paliva traktoru JD 8320R s kypřičem KÖCKERLING VECTOR 800 při maximálním výkonu motoru a při práci v ekonomickém režimu.
Obr. 10.2.4 Úplná charakteristika motoru traktoru JD 8320R s vyznačením pásem otáček při zkouškách.
10.3. Vliv délky horního táhla tříbodového závěsu na energetické a výkonnostní parametry orebních souprav. Zatížení hnacích kol traktoru agregovaného s neseným nebo návěsným strojem je však možné velmi významně ovlivnit změnou délky horního táhla tříbodového závěsu. Na tento poznatek zareagovala firma Lemken, která představila pluh VariTansanit, který je vybaven hydraulicky seřiditelným horním táhlem tříbodového závěsu. Změna délky horního táhla umožňuje regulovaný přenos tíhy pluhu na hnací kola traktoru, což má za následek nižší prokluz hnacích kol a zlepšení výkonnostních i ekonomických parametrů orební soupravy. Na Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendlovy univerzity v Brně byla provedena měření, jejímž cílem bylo analyzovat vliv délky horního táhla, respektive síly v horním táhle na výkonnostní a energetické parametry dvou různých orebních souprav. Zkrácením horního táhla přeneseme část tíhy pluhu na zadní kola traktoru, přičemž rám pluhu musí zůstat v horizontální poloze. Zde je důležité správně dotížit přední nápravu traktoru závažím, tak aby procentické rozmístnění hmotnosti bylo větší na přední nápravě. V první části polního měření byl použit traktor New Holland T7050, který byl agregován s neseným pluhem HUARD VM 150 5 NS viz obr. 10.3.1 Druhá série měření byla realizována s traktorem Zetor Proxima Plus 115, který byl agregován s neseným pluhem Kverneland 150 B viz obr.10.3.2 .
Obr. 10.3.1 Souprava traktoru NH T7050 s pluhem KUHN HUARD Variomaster 150
Obr. 10.3.2 Souprava traktoru Zetor Proxima Plus 115 s pluhem Kverneland 150 B Při zkouškách byla měněna délka horního táhla tříbodového závěsu traktoru soupravy traktoru a byly sledovány výstupní parametry orebních souprav. Pracovní otáčky motoru byly řazením udržovány v rozmezí 1800– 2000 min-1 Při každém průjezdu soupravy měřícím úsekem byl měřen prokluz kol, hloubka orby a záběr pluhu, efektivní čas orby, všechny zkoušky proběhly se sepnutou uzávěrkou diferenciálu. Při práci traktoru na pozemku, byl k síti CAN Bus traktoru připojen měřící počítač, do kterého se s frekvencí 20 Hz ukládala měřená data. Jednalo se zejména o okamžité zatížení motoru, spotřebu paliva, teplotu paliva a další parametry motoru. Měření skutečné pojezdové rychlosti soupravy bylo uskutečněno radarem RDS TGSS. Měření teoretické rychlosti soupravy bylo provedeno pomocí snímače otáček kola viz obr.10.3.3 . Síla v horním táhle byla měřena pomocí tenzometrického snímače síly HBM U2A s rozsahem 100 kN viz obr. 10.3.4
a) b) Obr. 10.3.3 Měření prokluzu. a- měření skutečné rychlost radaremi, b- měření otáčk kola
Obr. 10.3.4 Horní táhlo tříbodového závěsu opatřené tenzometrickým snímačem. První orební souprava byla tvořena traktorem NewHolland T7050 v agregaci s neseným otočným pětiradličným pluhem Kuhn Huard Variomaster 150. U této orební soupravy byl na základě naměřených hodnot vypočítán prokluz, efektivní výkonnost, efektivní spotřeba paliva. U druhé orební soupravy, tvořené traktorem Zetor Proxima Plus 115 v agregaci se čtyřradličným otočným neseným pluhem Kverneland, byl vyhodnocován prokluz a efektivní výkonnost orební soupravy. Síla v horním táhle TBZ ovlivňuje přenos části tíhy pluhu na kola traktoru a tím také velikost prokluzu hnacích kol. U první orební soupravy - traktor NewHolland T7050, byla měněna délka horního táhla od 810 mm do 765 mm. V důsledku zkrácení délky horního táhla z 810 mm na 765 mm došlo k nárůstu síly z 8,6 kN až na 21,3 kN. Současně se snížil prokluz z 16,6 % na 10,9 %. Závislost prokluzu na síle v horním táhle je uvedena na obr. 10.3.5 U druhé orební soupravy - traktor Zetor Proxima Plus. Byla měněna délka horního táhla v rozsahu od 660 mm až 625 mm. Zkrácením horního táhla na 625 mm došlo k nárůstu síly v horním táhle až na 20,5 kN při současném poklesu prokluzu na 11,6 %. Závislost prokluzu na síle v horním táhle je uvedena na obr. 10.3.8. Nevýhodou zvyšující síly v horním táhle může být nežádoucí odlehčení přední nápravy traktoru. Uvedená situace může nastat při nedostatečném vybavení traktoru závažím a jeho nesprávným umístěním. Traktor, aby mohl správně využít části hmotnosti neseného nebo návěsného pluhu k dotěžování hnacích kol musí mít rozmístěné přídavné závaží tak, aby byla zatížena více přední náprava než zadní. Např. statické zatížení samotného traktoru 55 % hmotnosti na přední nápravě a 45 % hmotnosti na zadní nápravě. Správně rozmístěné přídavné závaží umožňuje při práci traktoru
s neseným pluhem seřídit horní táhlo tak, aby přenášelo část hmotnosti nářadí na traktor, přičemž přední náprava musí zůstat zatížena tak, aby spolehlivě přenášela sílu z hnacích kola na podložku. Realizovaná terénní měření dokumentují vliv seřízení délky horního táhla na výkonnost a spotřebu paliva. Závislost výkonnosti na síle v horním táhle je uvedena na obr.10.3.7 a 10.3.9 U první orební soupravy - traktor NewHolland T7050 došlo v důsledku zvýšení síly v horním táhle TBZ ke zvýšení efektivní výkonnosti a to o 18,5 %, viz obr. 10.3.7. Závislost efektivní spotřeby paliva na rostoucí síle v horním táhle je na obr. 10.3.6. Z naměřených hodnot vyplývá, že v důsledku zvýšení síly v horním táhle došlo k úspoře paliva o 24,2 %, viz obr. 10.3.6 U druhé orební soupravy - traktor Zetor Proxima Plus 115 byly vyhodnocovány pouze výkonnostní parametry. I zde byl prokázán vliv síly v horním táhle TBZ na efektivní výkonnost orební soupravy. V důsledku zkrácením horního táhla došlo k zvýšení síly a efektivní výkonnost se zvýšila o 27,7 % viz obr. 10.3.9. Na základě analýzy naměřených hodnot je zřejmé, že prokluz, efektivní výkonnost, ale i efektivní spotřeba paliva vykazují
lineární závislost na síle v horním táhle tříbodového
závěsu. U všech lineárních závislostí byla dosažena hodnota indexu determinace dostatečně vysoká, což dokazuje dobrou vzájemnou korelaci mezi silou v horním táhle, prokluzem a dalšími výstupními parametry traktorových souprav. Při sestavování orební soupravy je tedy nutné dbát nejenom na správné seřízení pluhu z hlediska agrotechnických požadavků, ale současně je nutné věnovat dostatečnou pozornost seřízení pluhu z hlediska maximálního využití potenciálu použité techniky.
Obr. 10.3.5 Závislost prokluzu na síle v horním táhle – orební souprava traktoru NewHolland T7050 v agregaci s pluhem Kuhn Huard Variomaster 150
Obr. 10.3.6 Závislost efektivní spotřeby na síle v horním táhle – orební souprava traktoru NewHolland T7050 v agregaci s pluhem Kuhn Huard Variomaster 150
Obr.10.3.7 Závislost efektivní výkonnosti na síle v horním táhle – orební souprava traktoru NewHolland T7050 v agregaci s pluhem Kuhn Huard Variomaster 150
Obr. 10.3.8 Závislost prokluzu na síle v horním táhle – orební souprava traktoru Zetor Proxima Plus 115 v agregaci s pluhem Kverneland 150 B
Obr. 10.3.9 Závislost efektivní výkonnosti na síle v horním táhle – orební souprava traktoru Zetor Proxima Plus 115 v agregaci s pluhem Kverneland 150 B
