MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2011
Bc. BOHUMIL PROSECKÝ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Regulační hydraulika traktorů Diplomová práce
Vedoucí práce: prof. Ing. František Bauer, CSc.
Vypracoval: Bc. Bohumil Prosecký
Brno 2011
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma regulační hydraulika traktorů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………… podpis diplomanta …………………
Děkuji za odborné vedení a dohled nad diplomovou prací panu prof. Ing. Františku Bauerovi, CSc.
ABSTRAKT Cílem diplomové práce bylo zhodnotit vliv regulační hydrauliky na výstupní parametry traktorové soupravy a dále doporučit zatížení motoru a nastavení regulačních prvků traktoru pro snížení spotřeby paliva. Hodnocení probíhalo na základě terenních měření, při kterém byly sledovány parametry pro zjištění spotřeby paliva, prokluzu a výkonnosti. Také bylo provedeno měření točivého momentu přes vývodový hřídel podle metodiky OECD pro zjištění jmenovité otáčkové charakteristiky motoru traktoru John Deere 6920S. Orba byla prováděna s nastavenou polohovou a poté silovou regulací. Data byla zpracována pomocí excelové tabulky a převedena do grafů. Ze získaných údajů bylo zjištěno, že orba provedená s použitím silové regulace vykázala lepší výsledky ve všech měřeních. Porovnáním silové regulace s polohovou vykázala úsporu měrné spotřeby paliva ve výší 6,9%, nižší prokluz kol o 7,79% a objemová výkonnost byla vyšší o 7,40%. Dalším pozitivním vlivem silové regulace je nižší hodnota variačního koeficientu, což dokumentuje motor v užším rozsahu otáček ve srovnání s polohovou regulací. Měřením jmenovité otáčkové charakteristiky traktoru John Deere 6920S přes vývodový hřídel bylo zjištěno, že nejlepší měrné spotřeby paliva dosahuje při točivém momentu 651,42 Nm. Na základě realizovaných měření bych proto doporučil, využívání traktoru v oblasti nejvyššího točivého momentu, společně se zapnutou silovou regulací. Klíčová slova: regulační hydraulika, spotřeba paliva, jmenovitá otáčková charakteristika
ABSTRACT This Master thesis is concerned with an impact of hydraulic system on output parameters of an agricultural tractor set, and its main purpose is to recommend such tractor’s engine optimal load and regulation parameter settings which would have the most beneficial impact on its fuel consumption. The evaluation of such an impact included experimental measurements of fuel consumption, wheel slip and efficiency. The crankshaft torque measurement of the John Deere 6920S tractor engine was performed in accordance with OECD specifications. Position and, subsequently, draft control was used during the tillage. Raw data has been brought into Excel and relevant results are available in the form of graphs. It follows from these results that the tillage conducted with draft control outperformed the position control in each of these measurements. Comparison of draft and position control results indicates that fuel consumption was lower by 6.9%, wheel slip by 7.79%, and volumetric efficiency was down by 7.4%. Another example of draft control superiority was a decreased coefficient of variation, which indicates an engine running on narrower range of rotational speeds. Measurements of the nominal crankshaft rotational speed of the John Deere 6920S tractor also revealed that the most favourable specific fuel consumption is achieved when torque amounts to 651.42 Nm. To conclude with, based on all these measurements, I would recommend to operate the tractor within the highest torque zone and together with draft control.
Key words: hydraulic system, fuel consumption, nominal rotational speed characteristics
OBSAH 1.
ÚVOD ....................................................................................................................... 9
2.
CÍL PRÁCE ............................................................................................................ 10
3.
SOUČASTNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY............................................. 11 3.1.
Součastný stav konstrukce traktorů .................................................................. 11
3.1.1.
Motor ........................................................................................................ 11
3.1.2.
Převodová ustrojí ...................................................................................... 13
3.1.3.
Podvozky a nápravy .................................................................................. 15
3.1.4.
Hydraulika: ............................................................................................... 17
3.2.
Konstrukce regulační hydrauliky ..................................................................... 18
3.2.3. 3.3.
4.
Základní části konstrukce regulační hydrauliky ....................................... 21
Možnosti nastavení regulační hydrauliky ........................................................ 24
3.3.1.
Polohová regulace ..................................................................................... 24
3.3.2.
Silová regulace .......................................................................................... 25
3.3.3.
Smíšená regulace ...................................................................................... 26
3.3.4.
Regulace na mezní prokluz ....................................................................... 26
3.3.5.
Tlaková regulace ....................................................................................... 27
MATERIÁL A METODY ...................................................................................... 28 4.1.
Charakteristika technického vybavení ............................................................. 28
4.1.1.
Charakteristika Traktoru John Deere 6920S ............................................. 28
4.1.2.
Charakteristika pluhu Lemken Vari Diamant 10 ...................................... 31
4.2.
Charakteristika pozemku .................................................................................. 32
4.3.
Metodika měření energetických a výkonnostních parametrů při orbě ............. 33
4.4.
Použitá měřící zařízení ..................................................................................... 35
4.4.1.
Programové prostředí ................................................................................ 35
4.4.2.
Měření skutečné rychlosti ......................................................................... 37
4.4.3.
Snímání hodnot ze sítě CAN-Bus ............................................................. 38
4.4.4.
GPS modul ................................................................................................ 38
4.4.5.
Měření prokluzu ........................................................................................ 39
4.5.
Metodika vyhodnocení měření ......................................................................... 39
4.5.1.
Pracovní záběr........................................................................................... 39
4.5.2.
Pracovní hloubka ...................................................................................... 40
4.5.3.
Efektivní výkonnost soupravy .................................................................. 40
4.5.4.
5.
Spotřeba paliva ......................................................................................... 41
4.6.
Metodika měření jmenovité otáčkové charakteristiky ..................................... 42
4.7.
Metodika vyhodnocení otáčkové charakteristiky............................................. 43
VÝSLEDKY PRÁCE ............................................................................................. 45 5.1.
Vyhodnocení měření energetických a výkonnostních parametrů traktoru při
orbě .......................................................................................................................... 45 5.1.1.
Měrná spotřeba ......................................................................................... 47
5.1.2.
Prokluz kol ................................................................................................ 48
5.1.3.
Variační koeficient otáček ........................................................................ 50
5.1.4.
Objemová výkonnost ................................................................................ 52
5.1.5.
Porovnání průměrných hodnot.................................................................. 53
5.2. 6.
Vyhodnocení měření parametrů motoru .......................................................... 55
ZÁVĚR ................................................................................................................... 58
SEZNAM LITERATURY .............................................................................................. 59 SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................................... 60 SEZNAM TABULEK .................................................................................................... 61
1
ÚVOD Tato diplomová práce hodnotí vliv regulační hydrauliky na vybrané výstupní parametry
traktoru a ekonomiku provozu. V dnešní době se požadavky na výkonnost, přesnost, spolehlivost a stupeň automatizace traktorů soustavně zvyšují. Splnění těchto požadavků předpokládá zásadní změnu v konstrukci, která s sebou přináší zavádění elektrohydraulických systémů traktorů. Používání nových konstrukčních uzlů pro ovládání jednotlivých funkčních skupin traktorů a zemědělských strojů je na neustálém vzestupu. Elektrohydraulické systémy zaujímají významné místo v konstrukci jednotlivých funkčních skupin traktorů. Hydraulické systémy traktorů nižších výkonových tříd zpravidla pracují ve spojení s mechanickou vazbou. Traktory středních a vyšších výkonových tříd jsou vybavovány elektrohydraulickými systémy. Tyto systémy jsou v součastné době nejrozšířenějším prostředkem pro ovládání tříbodového závěsu (Bauer a kol., 2006). Elektrohydraulické ovládání tříbodového závěsu dokáže regulovaně dotěžovat hnací kola traktoru, aniž by negativně ovlivnilo agrotechnické požadavky kladené na práci stroje. Činnost jednotlivých regulačních systémů hydrauliky podstatným způsobem ovlivňuje velikost dotížení a tím i tahové vlastnosti. Orba je jednou z energeticky nejnáročnějších operací zpracování půdy a každý kilowatt ztráty výkonu prokluzem kol nás stojí nemalé finanční prostředky.
9
2
CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce bylo zhodnotit vliv regulační hydrauliky na výstupní parametry
traktorové soupravy a dále doporučit zatížení motoru a nastavení regulačních prvků traktoru pro snížení spotřeby paliva. Hodnocení spotřeby paliva, prokluzu a výkonnosti proběhlo na základě terénních měření. Orba byla prováděna s nastavenou polohovou a silovou regulací. Dále bylo provedeno měření jmenovité otáčkové charakteristiky traktoru přes vývodový hřídel pro zjištění nejnižší spotřeby paliva vzhledem k zatížení motoru. Data byla zpracována pomocí tabulky a převedena do grafů. Analýza byla provedena v závěrečném hodnocení, v němž byl zhodnocen vliv nastavení.
10
3
SOUČASTNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
3.1 Součastný stav konstrukce traktorů V dnešní době traktory klasické konstrukce dosahují výkonu asi 350 koní (257 kW) u kloubových a pásových traktorů dosahují již výkonu téměř 550 koní (405 kW). Pro srovnání, koncem 80. let měly klasické traktory výkon až 160 koní (118 kW) a během první poloviny 90. let se výkony vyšplhaly na úroveň 260 koní (191 kW). Tento vývoj byl v první polovině 90. let ovlivněn především rostoucí velikostí zemědělských podniků a také počtem agregovatelných strojů s těmito traktory (Pernis, 2009). 3.1.1 Motor Spalovací motory jsou neustále přizpůsobovány novým požadavkům ze strany uživatelů a také mezinárodním normám omezujícím negativní vlivy provozu traktoru na životní prostředí. Motory traktorů, stejně jako motory osobních automobilů, musí plnit emisní limity ve výfukových plynech. V současnosti pro všechny výkonové kategorie platí stupeň IIIA podle směrnice EU 2000/25/ES nebo Tier 3 podle předpisu EPA (Environmental Protection Agency).
Obr. 1 Motor traktoru John Deere 9030, s technologií Common Rail a recirkulace výfukových plynů
11
Technologie pro snižování škodlivin Důležité je především dostat do válců dostatečné množství vzduchu, aby došlo k co nejkvalitnějšímu spalování paliva. Moderní traktorové motory jsou proto přeplňovány turbodmychadly s regulací a s chlazením plnicího vzduchu v mezichladiči. Dostat potřebné množství vzduchu do válců, v celém rozsahu otáček motoru, pomáhá i čtyřventilová technika. Technologie umožňující redukci dusičnanů ve výfukových plynech, je systém EGR (Exhaust Gas Recirculation) neboli recirkulace výfukových plynů. Systém vrací část výfukových plynů zpět do válce k opětovnému spálení. Výfukové plyny jsou ochlazeny ve výměníku tepla a poté smíšeny s nasávaným vzduchem. Výfukové plyny mají méně kyslíku a více kysličníku uhličitého než nasávaný vzduch. To snižuje teplotu hoření a výsledkem je redukce oxidů dusíku (NOx) bez významného dopadu na tepelnou účinnost. Další systém známý z nákladních automobilů je katalytická redukce, ten se poprvé objevil u traktorů Massey Ferguson. Systém snižuje podíl oxidů dusíku ve výfukových plynech za spalovacím prostorem. Do výfukových plynů je vstřikována směs močoviny a deionizované vody a poté se oxidy dusíku sloučí na dusík a vodu. Největší modernizace se objevuje v oblasti přípravy palivové směsi a aplikace elektroniky při řízení motoru. Motory jsou vybavovány například systémem Common Rail. Systémem vstřikovaní paliva s tlakovým zásobníkem, kde je odděleno vytváření tlaku a vstřikování paliva, čímž je docíleno stálého tlaku po celou dobu vstřiku. Vstřikování je zabezpečeno elektromagneticky řízeným ventilem s vysokými vstřikovacími tlaky, které dosahují hodnot až 160 MPa. Vstřikované palivo je lépe rozprášeno a tvorba směsi a proces hoření jsou dokonalejší. Elektronická řídící jednotka umožňuje modelovat výkonové charakteristiky motoru. Což využívá funkce Power Boost a po splnění určitých podmínek se aktivuje navýšení výkonu o 10 až 15 %, např. překročením určité rychlosti.
12
3.1.2 Převodová ustrojí Převodová ústrojí jsou všechna ústrojí spojující spalovací motor s hnacími koly náprav a vývodovým hřídelem traktoru. Uskutečňují přenos točivého momentu nebo jeho přerušení, změnu velikosti nebo smyslu. Převodová ústrojí můžeme rozdělit do skupin: -
pro krátkodobé přerušení točivého momentu (spojky),
-
pro stále spojení (spojovací a kloubové hřídele),
-
pro změnu velikosti a smyslu točivého momentu (převodovky),
-
pro rozdělení hnacího momentu na kola (rozvodovka, diferenciál),
-
pro zvýšení převodového poměru před hnacím kolem (koncové převody).
Převodová ústrojí také prodělala velký rozvoj. Moderní převodová ústrojí je možno zařadit mezi automatizované systémy komunikující digitální sběrnicí CAN-bus s ostatními funkčními uzly traktoru. Propojení elektronického řízení motoru a převodovky prostřednictvím programového vybavení umožňuje traktoru pracovat ekonomicky a kvalitně. Obsluha si může zvolit režim výkonnostní nebo ekonomický. Při výkonnostním režimu se samočinně mění převodový poměr podle zatížení, aby docházelo k udržení maximálního výkonu motoru. V ekonomickém režimu převodovka mění převodový poměr tak, aby otáčky motoru byly udržovány v oblasti s nejnižší spotřebou.
13
Převodovky Předlohové převodovky „Power shift“. Řazení jednotlivých převodových stupňů probíhá prostřednictvím elektrohydraulicky ovládaných lamelových spojek. U planetových převodovek Power shift se řazení převodových stupňů děje pomocí hydraulických lamelových spojek a brzd.
Obr. 2 Převodovka traktoru John Deere 8030 s technologií Power Shift
Elektronické řízení převodovky nebo elektronické řízení převodovky spolu s motorem. Obsluha může nastavit manuální ovládání převodovky nebo automatické pro polní a cestní režim. Elektronika chrání převodovku před přetížením, neumožní rozjezd na libovolný rychlostní stupeň, nebo umožní zařadit vyšší rychlostní stupeň až po dosažení určité rychlosti. Převodovky CVT (Continously Variable Transmission) umožňují plynulou změnu pojezdové rychlosti. Bezestupňové převodovky pracují na principu řízeného diferenciálního převodu. Teprve rozvoj elektroniky umožnil jejich uplatnění v konstrukci traktorů. Konstrukce je řešena tak, že je část výkonu vedena přes hydrostatickou část a část přes mechanickou větev, aby se znovu sečetly v sumarizačním planetovém (diferenciálním) převodu do požadovaného točivého momentu a otáček.
14
3.1.3 Podvozky a nápravy Podvozek je nosná část traktoru, jsou k němu připevněny všechny mechanismy umožňující jízdu a řízení. Některé části podvozku zajišťují ještě další funkce: nesou pracovní nářadí a stroje, umožňují změnu rozchodu kol, atd. Podvozky můžeme rozdělit na bezrámové, polorámové a rámové. 3.1.3.1 Bezrámová konstrukce Používá se převážně u traktorů nižších výkonových tříd. Jsou to vlastně jednotlivé části (motor, převodovka,…) spojeny v jeden celek a tak tvoří nosnou konstrukci traktoru. Jednotlivé části strojních skupin musí byt dostatečně dimenzovány, což zvyšuje hmotnost této konstrukce často s nevyhovujícím rozložením hmotnosti.
Obr. 3 Podvozek traktoru - bezrámová konstrukce
3.1.3.2 Polorámová konstrukce Rám, který nese některé strojní skupiny, nejčastěji motor a převodovku, je upevněn k zadní nápravě traktoru. Umožňuje snížení hmotnosti nesených častí a tím lepší rozložení hmotnosti.
Obr. 4 Podvozek traktoru - polorámová konstrukce
15
3.1.3.3 Rámová konstrukce Hlavní nosnou funkci u této konstrukce přebírá rám. Strojní skupiny mohou mít nižší hmotnost a jejich umístění nemusí byt podřízeno nosné funkci, ale využito k lepšímu rozložení hmotnosti. U kolových traktorů je to stále více používaná konstrukce.
Obr. 5 Podvozek traktoru - rámova konstrukce systémového nosiče Fastrac
3.1.3.4 Zadní náprava Zadní náprava traktoru zůstává s ustálenou konstrukcí: kuželová rozvodovka, kuželový diferenciál a koncový převod planetový nebo s čelním ozubením. U diferenciálu doznalo značných změn především elektronické řízení uzávěrky. Uzávěrka je elektronicky spouštěna za určitých provozních podmínek, například při překročení pojezdové rychlosti 15 km.h-1.
3.1.3.5 Odpružení přední hnací nápravy Revoluční řešení se objevilo u traktorů značky Fendt. Náprava je v tomto provedení zavěšena přes středový výkyvný čep na rámu. Ten je na jedné straně otočně uložen na čepu upevněném na těle traktoru. Na druhé straně je rám spojený s tělem traktoru hydraulickým válcem, u kterého byl tlak oleje pod a nad pístem udržován hydraulickým akumulátorem (hydraulickými pružinami). Jako další vhodné řešení konstrukce se okázalo zavěšení předních kol na nezávislé lichoběžníkové polonápravě s plně elektronickým řízením hydropneumatického odpružení. Došlo ke zlepšení kontaktu kola s podložkou a stability jízdy i při vyšších rychlostech. 16
3.1.4 Hydraulika: 3.1.4.1 Vnitřní okruh Vnitřní okruh slouží k ovládání tříbodového závěsu. Umožňuje použití různých regulačních systémů sloužících k lepšímu využití traktoru při práci s neseným, poloneseným a návěsným nářadím.
3.1.4.2 Vnější okruh Vnější okruh hydrauliky traktoru se používá jako pohon strojů připojených k traktoru. Dodává energii ve formě tlakové kapaliny nejčastěji pro přímočaré motory (hydraulické válce) nebo k pohonu rotačních hydraulických motorů. Traktory bývají vybaveny různým počtem samostatných hydraulických okruhů. Spojování strojů s traktorem je zajišťováno pomocí rychlospojek. Hydraulický systém traktoru je spolu s PTO (vývodovým hřídelem) prostředkem pro poskytování výkonu agregovaným strojům. Otevřeným hydraulickým systémem se zubovým hydrogenerátorem jsou dnes vybavovány především traktory o výkonu do 110kW. U traktorů s vyšším výkonem se používá uzavřený hydraulický systém s axiálním pístovým hydrogenerátorem s proměnlivým objemem. Uzavřený okruh je samočinně řízen systémem Load-Sensing, který mění objem čerpaného oleje podle měnících se potřeb zařízení.
17
3.2 Konstrukce regulační hydrauliky 3.2.1 Regulační hydrauliku tvoří tři základní části Nastavovací -
slouží k vložení informace pro nastavení regulační častí.
-
zajišťuje vstup informací.
-
přijímá informace z měřící části, které jsou vyhodnocovány podle
Měřící Regulační nastavovací části, a podle nichž upravuje polohu tříbodového závěsu, -
činnost nastává tehdy, když se veličiny přijímaných informací liší a trvá po dobu, než je rozdíl odstraněn,
-
u dnešních regulačních systémů je možné nastavit také citlivost, což se projevuje jako zesílení signálu od měřící části.
3.2.2 Rozdělení regulační hydrauliky podle způsobu snímání a přenosu impulzů 3.2.2.1 Mechanický způsob snímání a přenosu impulzů Mechanický způsob využívala například regulace Zetormatic, umožňovala obsluze volit mezi polohovou, silovou a smíšenou regulací. Za schématu (Obr. 6) je patrné, že změna síly Fh v horním táhle působí na torzní pružinu (11). A přes pákový mechanismus je změna polohy přenesena na kladku (13) působící na páku silové regulace (6). Současně se změnou síly je snímána i změna polohy ramen zvedacího ústrojí. Páka polohová regulace (9) je v kontaktu s vačkou ramen zvedacího ústrojí. Změna polohy ramen zvedacího ústrojí způsobí posun páky polohové regulace a přes volič impulzů (7) je pohyb přenesen až na šoupátko vnitřního okruhu (3), které řídí zvedání nebo spouštění závěsu (Bauer a kol., 2006).
18
Obr. 6 Schéma mechanického regulačního systému Zetormatic - smíšená regulace
1 – zubový hydrogenerátor, 2 – pružina, 3 – šoupátko vnitřního okruhu, 4 – hlavní ovládací páka, 5 - páka s kladkou, 6 – páka silové regulace, 7 – volič impulzů, 8 – volicí páka systému regulace, 9 - páka polohové regulace, 10 – polohová vačka, 11 – torzní pružina, 12 – konzola pro připojení horního táhla, 13 – kladka páky silové regulace, 14 – pracovní válec, 15 – ramena zvedacího ústrojí, 16 – horní táhlo tříbodového závěsu
3.2.2.2 Hydraulický způsob snímání a přenosu impulzů Informace o poloze a působící síle tříbodového závěsu jsou převáděny na tlak. Systém této regulace je založen na udržování stejného tlakového spádu na obou stranách hydraulického obvodu. Schéma systému SHR (Servohydraulisch angesteuertu HybwerkRegelsysteme) pro silovou regulaci je uvedeno na Obr. 7. Regulačními prvky systému byly škrtící ventily ovládané od obsluhy a od snímačů polohy a síly. Uprostřed hydraulického obvodu byl hydraulicky řízený rozvaděč (4). Pokud došlo k překročení např. síly v dolních táhlech, změnil se průtočný průřez přes škrtící ventil (2), a tím i tlakový spád. Šoupátko
19
rozvaděče se začalo přesouvat doleva na zvedání. To trvalo tak dlouho, dokud nenastala opět rovnováha v soustavě. Jestliže obsluha nastavila menší sílu (hloubku) na panelu (3), snížil se odpor na škrtící ventil (1), poklesl tlakový spád a šoupátko rozvaděče se posunulo vlevo, na pozici pro zvedání. Tento děj opět trval do doby, než došlo k vyrovnání tlaku. Tento systém pracoval citlivě a kvalitněji než mechanická regulace (Šmerda, Čupera, Bauer, Sedlák, 2009).
Obr. 7 Schéma řešení regulační hydrauliky SHR
1 – regulační škrtící ventil pro nastavení parametrů, 2 – regulační škrtící ventil propojený s měřícím členem, 3 – ovládací panel, 4 – rozvaděč, 5 – neregulační škrtící prvek, 6 - měření síly
3.2.2.3 Elektro-hydraulický způsob snímání a přenosu impulzů Systém využívá kombinace elektroniky a hydrauliky pro zjednodušení celého obvodu. Jako první začala traktory s touto regulační hydraulikou vyrábět firma Massey-Ferguson. Systém induktivních snímačů polohy byl tvořen jedním snímačem polohy tříbodového závěsu a dvěma snímači deformace pružiny, jež přenášela sílu od dolních táhel. V roce 1984 přišla firma Bosch s tenzometrickými čepy pro měření síly v dolních táhlech. Další vývoj se ubíral směrem k proporcionálnímu řízení rozvaděčů a k přechodu na digitální řízení.
20
3.2.3 Základní části konstrukce regulační hydrauliky
Obr. 8 Elektrohydraulické ovládání tříbodového závěsu traktoru
1 – hydrogenerátor, 2 – elektronicky řízený rozvaděč, 3 – tlakový snímač, 4 – snímač pro měření skutečné rychlosti, 5 – snímač pro měření otáček, 6 – snímač pro měření síly, 7 – signální zástrčka, 8 - hydraulický válec ramen zvedacího ústrojí, 9 – senzor pro snímání polohy, 10 – ovládací panel, 11 - řídící jednotka, 12 – kabelový strom¨
3.2.3.1 Hydrogenerátor Hydrogenerátor je mechanické zařízení, které dodává kinetickou, potenciální, nebo tlakovou energii tekutině, která skrz něj protéká. V hydraulice traktorů jsou nejčastěji používány regulační pístové hydrogenerátory, které dosahují průtoku kolem 150 l.min-1. Regulační axiální pístový hydrogenerátor pracuje tak, že se změnou náklonu regulační desky mění geometrický objem. Sklon regulační desky spolu s otáčkami pístu určují množství protékajícího oleje.
21
3.2.3.2 Tlakový senzor Snímač se používá především při tlakové regulaci. Tlak ve zvedacím válci je měřen snímačem, ten posílá informaci do řídící jednotky. Zde je informace vyhodnocena a řídí nadlehčování stroje.
3.2.3.3 Senzor pro měření skutečné rychlosti (radar) a 5. snímač pro snímání otáček Měřením skutečné rychlosti a otáček kol traktoru můžeme vyhodnotit velikost ztráty prokluzem kol traktoru.
3.2.3.4 Senzor pro snímání síly Silové snímače pracují na principu změny induktace. Snímání síly je umožněno na základě změny magnetického toku, v závislosti na změně siločar v namáhaném čepu. Primární cívka vytváří pulzující magnetické pole, které snímá sekundární cívka. Indukované napětí sekundární cívky podléhá změnám způsobeným silovými účinky v táhlech závěsu. Při zatížení čepu konstantní silou je magnetické pole symetrické, pokud se síla změní, začne být magnetické pole nesymetrické. Zařízení jsou uložena ve speciálních čepech, na kterých jsou připevněna táhla tříbodového závěsu. Měřící zóna je v rovině kolmé k ose čepu uloženého v konzole dolních táhel. Díky zanedbatelným deformacím jádra snímače v měřící zóně je hystereze minimální, což zvyšuje citlivost.
3.2.3.5 Senzor pro snímání polohy Senzor snímá polohu ramen zvedacího ústrojí. Pokud dojde k jejich poklesu, pošle informaci do řídící jednotky, která umožní jejich přizvednutí do nastavené hodnoty. Snímání polohy je prováděno snímačem s axiálně pohyblivým hrotem. Hrot je přitlačován pomocí pružiny na čep horních táhel, který je vytvarován do tvaru vačky.
22
3.2.3.6 Ovládací panel Panel umožňuje nastavení jednotlivých částí regulačního systému. Bývá umístěn nejčastěji na pravé straně v kabině traktoru. U každého typu traktoru se liší označení. Jejich funkce jsou však stejné. Na Obr. 9 je vidět jedno z provedení. Ovladačem č. 1 měníme polohu tříbodového závěsu. Při poloze páky úplně vlevo (viz. Obr. 9) jsou zvednuta ramena do maximální nastavené výšky, podle nastavení ovladače č. 3. Rychlost spouštění nářadí je nastaveno ovladačem č. 2.
Obr. 9 Příklad provedení ovládání tříbodového závěsu
Obr. 10 Ovladač silové/polohové regulace
23
3.2.3.7 Řídící jednotka Rozvoj koncepce traktorů je spojen s rostoucím stupněm řídících, regulačních a diagnostických zásahů prováděných elektronikou. Řídící jednotka ECU (Elektronic Control Unit) je schopna přijímat informace od soustavy snímačů, vyhodnocovat je a nastavovat akční členy. Znamená to, že několik vstupních veličin ovlivňuje nastavení jednoho výstupního parametru v reálném čase. Řídící, regulační a diagnostické úkony provádí řídící jednotka v rámci jednoho uzavřeného obvodu (Bauer a kol., 2006). Jednotka
svým
uspořádáním
připomíná
počítač.
Tvoří
ji
základní
deska
s mikrokontrolerem, napájením, pamětmi, A/D převodníky a dalšími prvky.
3.3 Možnosti nastavení regulační hydrauliky 3.3.1 Polohová regulace Polohová regulace je v podstatě automatické udržování nářadí v obsluhou nastavené výšce. Pokud dojde z jakýchkoliv příčin k poklesu neseného nářadí, je automaticky přizvednuto do předem nastavené polohy. Tento typ regulace je vhodný především pro nesené nářadí, například postřikovače, rozmetadla, atd.
Obr. 11 Nastavení potenciometru při polohové regulaci
Otočením potenciometru na ovládacím panelu do krajní polohy vpravo (Obr. 11) je uveden do činnosti polohový regulační systém. Dochází k aktivaci snímače polohy ramene zvedacího ústrojí a deaktivaci snímače síly.
24
3.3.2 Silová regulace Silová regulace je regulace na konstantní tažnou sílu. U některých traktorů je možné po nastavení typu regulace upravit dalším potenciometrem také rozsah zahlubování a vyhlubování pluhu a citlivost snímačů. Po rozjezdu traktoru se pluh začne zahlubovat do nastavené hodnoty, v této hodnotě regulace přestává působit. Při najetí do půdy s vyšším odporem, kdy vzroste tahová síla v dolních táhlech nad hodnotu nastavenou obsluhou, dojde k vyhlubování pluhu, dokud síla opět neodpovídá nastavené hodnotě. Pokud naopak klesne odpor půdy, je pluh zahlubován, ovšem maximálně do nastavené hloubky potenciometrem. Tento typ regulace je nejvhodnější do půd s homogenním odporem. Při orbě v půdách s rozdílnou homogenitou může docházet k častému vyhlubování a zahlubování pluhu a tím k rozkmitu traktoru, proto jsou dnes regulační hydrauliky doplňovány dalším potenciometrem citlivosti, kde lze měnit rychlost reakce zdvihu tříbodového závěsu. Výhodou tohoto typu regulace je, že dochází k odtěžování traktoru, což výrazně snižuje prokluz.
Obr. 12 Nastavení potenciometru při silové regulaci
Otočením potenciometru na ovládacím panelu do krajní polohy vlevo znázorněné na obrázku (Obr. 12) je uveden do činnosti silový regulační systém. Dochází k aktivaci snímače síly (tenzometru) a deaktivaci snímače polohy.
25
3.3.3 Smíšená regulace Smíšená regulace kombinuje výhody polohové a silové regulace. Výhodou této regulace je především to, že umožňuje nastavení poměru mezi těmito regulacemi. Při orbě s tímto nastaveným typem regulace dochází stejně jako u silové regulace k vyhlubování a zahlubování pluhu po najetí do půdy s rozdílným odporem, nedojde však k takovému vyhloubení či zahloubení jako by tomu bylo u čistě silové regulace. Její činnost je totiž korigována polohovou regulací.
Obr. 13 Nastavení potenciometru při smíšené regulaci
Otočením potenciometru na ovládacím panelu do části mezi krajními polohami (Obr. 13) jsou uvedeny do činnosti oba regulační systémy. A podle polohy je nastaven jejich poměr.
3.3.4 Regulace na mezní prokluz Tento typ regulace porovnává skutečnou a teoretickou rychlost soupravy, čímž umožňuje dopočítávat aktuální hodnotu prokluzu během vykonávané práce. Tím vzniká další parametr, podle kterého může docházet k regulaci tříbodového závěsu. Výhodou je možnost kombinace s ostatními regulačními systémy. Pokud dojde při orbě ke zvýšené hodnotě prokluzu hnacích kol, například vlivem blátivého povrchu, dojde k přizvednutí nářadí a tím k dotížení hnacích kol, což prakticky znamená snížení prokluzu. 26
3.3.5 Tlaková regulace Cílem tlakové regulace je udržovat konstantní tlak v hydraulickém válci, kterým je nadlehčováno nářadí. Používá se při práci s nářadím s opěrnými koly. Opěrná kola zachycují vertikální síly, jež vytvářejí valivý odpor. Při přenesení části vertikálních sil na zadní kola traktoru dochází k odlehčení hnacích kol a tím ke snížení prokluzu. Dojde-li v měřeném místě ke zvýšení tlaku, například najetím na nerovnost, začne tříbodový závěs spouštět nářadí, dokud tlak neklesne na nastavenou hodnotu. V opačném případě dojde ke zvedání nářadí.
27
4
MATERIÁL A METODY
4.1 Charakteristika technického vybavení 4.1.1 Charakteristika Traktoru John Deere 6920S Hlavním mobilním energetickým prostředkem pro zkoušení různých nastavení regulační hydrauliky byl použit traktor John Deere 6920S. Tento traktor tvořil orební soupravu s návěsným pluhem Lemken VariDiamant10.
Obr. 14 John Deere 6920S
Výrobce:
John Deere (D)
Typ:
6920 AutoPowr
Pohon:
4K4
Identifikační číslo:
LO6920P441519
28
Motor Výrobce:
John Deere (Made in France)
Druh:
Vznětový, vstřikování Common-Rail s turbodmychadlem a mezichladičem stlačeného vzduchu (vzduch/chladící kap.)
Typ:
6068 HL 474
Sériové číslo:
CD 6068H897748
Vrtání/Zdvih:
106,5 / 127 mm
Počet válců:
6
Zdvihový objem:
6788 cm3
Způsob chlazení:
chladící kap., viskospojka
Počet ventilů:
4
Objem palivová nádrž:
250 l
Jmenovitý výkon:
118 kW (ECE R24)
Jmenovité otáčky:
2100 min-1
Počet Mth:
2092
Převodovka Typ: Rozsah rychlostí: Jízdní rozsah:
AutoPowr, diferenciální hydrostatická, jeden jízdní rozsah. Vpřed
Vzad
0,05 - 44
0,05 - 30
Brzdy Provozní:
mokré diskové brzdy na zadní nápravě, automatické zapínání přední nápravy
Parkovací brzda:
Blokování v převodovce
Kompresor brzd:
Ano
Čelní závěs: Typ:
Tříbodový závěs, kat.2,
Výška zdvihu
830 mm
Závaží:
16 x 50 kg+ rám 110 kg Celkem 910 kg
29
Vývodový hřídel Otáčky: PTO [min-1] -1
Motor [min ]
540
540E
1000
1987
1753
2000
Přední PTO:
1000 min-1
při otáčkách motoru
1920 min-1
Nápravy Uzávěrka diferenciálu na zadní nápravě 100%. Přední náprava odpružená - samosvorný diferenciál Pneumatiky Přední náprava:
520/60 R28 Xeobib 75 kPa
Zadní náprava:
650/60 R38 Xeobib 100 kPa
Rozměry: Rozvor:
2650 mm
Rozchod přední nápravy:
1850 mm
Rozchod zadní nápravy:
1800 mm
Délka:
4570 mm
30
4.1.2 Charakteristika pluhu Lemken Vari Diamant 10
Obr. 15 Pluh Lemken Vari Diamant
Výrobce:
Lemken (DE)
Rok výroby:
2004
Výrobní označení:
VariDiamant10
Typ:
návěsný, oboustranný otočný, orební tělesa s výměnným dlátem a hrudí odhrnovačky, pero na křídle odhrnovačky, zahrnovač rostlinných zbytků
Počet orebních těles:
6+1
Rozměry rámu:
160 x 160 x 10 mm
Rozestup orebních těles:
100 cm
Výška rámu:
80 cm
Jištění těles proti přetížení: mechanické, válcové pružiny Nastavení záběru:
plynulé – provedení Vari
Celkový pracovní záběr:
180 – 385 cm
Hmotnost vpředu:
2 000 kg
Hmotnost vzadu:
3 000 kg
Hmotnost celková:
5 000 kg
31
4.2
Charakteristika pozemku Měření se konalo od 4.7 do 7.7 2010 na pozemku Březí v katastru obce Týn nad
Vltavou. Pozemek byl 2 týdny před měřením zpracován talířovým podmítačem do hloubky 10 cm a následně zaválen. Půdní druh - lehká písčito-hlinitá. Pozemek je orientován na jih od Týnu nad Vltavou a má členitý tvar. Plocha pozemku je 18,45 ha (Obr. 16). Po celou dobu měření bylo slunečné počasí při teplotách vzduchu 25–30oC.
Obr. 16 Pohled na pozemek
32
4.3 Metodika měření energetických a výkonnostních parametrů při orbě Cílem měření bylo zjistit vliv nastavení regulačních prvků na výkonnostní a energetické parametry orby Měření bylo realizováno na pozemku Březí v katastru obce Týn nad Vltavou. (další podrobnosti jsou uvedeny v charakteristice podmínek měření). Orební soupravu tvořil traktor John Deere 6920S a šestiradličný návěsný pluh Lemken Vari Diamant10 (viz Obr. 14 a 15). Před měřením proběhlo seřízení a nastavení záběru pluhu a hloubky orby, které se již během zkoušek neměnilo. U traktoru byl nastaven volič převodovky na pozici 0 (konstantní převodový poměr). Regulační hydraulika byla nastavena potenciometrem do polohy 1 (polohová regulace) nebo 5 (silová regulace). Traktor měl stále zařazen pohon přední nápravy a uzávěrku zadní nápravy. Ručním akcelerátorem byla nastavena plná dodávka paliva. Na pozemku byly vyměřeny tři 30 m dlouhé měřící úseky. Mezi měřícími úseky byla ponechána mezera 40 m pro nastavení a ustálení měřených parametrů. Každá zvolená varianta měření se vždy třikrát opakovala. V každém úseku byla měřena hloubka, pracovní záběr a dráha ujetá na 5 otočení hnacích kol obou náprav pro výpočet prokluzu. Dále se měřil čas na projetí úsekem, otáčky motoru a spotřeba paliva. Měřená data byla ukládána stejně jako při měření tahových vlastností s frekvencí 20 Hz na disk měřicího počítače.
33
Obr. 17 Traktor John Deere 6920S v soupravě s návěsným 6-radličným pluhem Lemken Vari Diamant10
Pro výpočet prokluzu byla naměřena teoretická dráha při jízdě traktoru v brázdě s vyhloubeným pluhem u každé ze zkoušených pneumatik. Pro značný objem dat nejsou ve zprávě uvedeny tabulky naměřených hodnot, uvádíme pouze tabulky průměrných hodnot dosažených u jednotlivých zkoušek. Celkem bylo provedeno 12 měření. Naměřené hodnoty při jednotlivých zkouškách byly vyneseny do grafů. V textu u každého grafu je uveden popis zkoušky. Čísla měření uvedená v popisu grafů odpovídají číslům uvedeným v prvním sloupci tabulek.
34
Obr. 18 Potenciometry pro nastavení regulační hydrauliky (John Deere 6920 S)
4.4
Použitá měřící zařízení Pro měření jednotlivých údajů byl traktor osazen externími snímači, jejichž signály byly
zpracovány měřící soupravou Spider 8. Kromě údajů externích snímačů byla využívána data interních snímačů traktoru snímaná ze sběrnice CAN-Bus. Mimo uvedené hodnoty byla také snímána poloha traktoru pomocí GPS. Takto získaná data byla zpracována proprietálním softwarem a ukládána do paměti měřícího počítače. 4.4.1 Programové prostředí Pro uvedenou soustavu měření byl na Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelu Brno vyvinut software ve vývojovém prostředí LabVIEW 8 od společnosti National Instruments. Vnitřní architekturu tvoří čtyři smyčky, tři pro jednotlivá zařízení, čtvrtá smyčka slouží k ukládání dat do souboru. Synchronizace dat je zajištěna resetováním smyček s reálnou diferencí prodlevy 10 ms. Vzorkování dat bylo přizpůsobeno k nejvyššímu požadovanému samplování, tedy data byla ve smyčce opakována, pokud nenastala změna. Rutina měřícího zesilovače Spider 8 obsahuje mimo odečet hodnot také konfiguraci zařízení, zejména pak nastavení komunikace portu. V této smyčce se také nacházejí kalibrační konstanty tenzometru a ostatní transformační funkce. Subrutina CAN-Bus sbírá data z této sběrnice, resp. provádí filtraci dat na fyzické vrstvě hardware a interpretuje je v decimální podobě. Ve smyčce GPS modulu dochází k dekódování standardní NMEA věty v ASCI
35
podobě. Data z předchozích rutin jsou přes globální proměnné, resp. sdílené proměnné předávány do smyčky ukládání, která v případě aktivace ukládá do ASCI souboru data s předem definovaným vzorkováním (při měření bylo shledáno jako optimum 20 Hz). Ukázka okna nastavení měřicího programu je uvedena na Obr. 19.
Obr. 19 Okno nastavení programu
Systém polního měření byl navržen modulárně a zahrnuje tři základní části: -
sběr dat analogových veličin realizovaných měřicím systémem Spider 8 od společnosti HBM
-
sběr dat z interní komunikační sítě CAN-Bus přes PCMCIA kartu společnosti National Instruments
-
snímání polohy a ostatních údajů modulem GPS společnosti Garmin.
36
4.4.2 Měření skutečné rychlosti Pro měření skutečné rychlosti byl na rám traktoru John Deere 6920S namontován radar RDS TGSS (viz Obr. 20). Charakteristika radaru je uvedena v Tab. 1. Radar RDS TGSS pracuje na frekvenci 24,125 GHz při vyzařovaném výkonu 0,5 W. Sklon radaru k horizontále činil 37°. Výstupní pulsní signál je 128,52 pulzů na 1 metr délky dráhy. Čas integrace je téměř fixní a činí 500 ms. Celková přesnost systému se pohybuje od 1% do 4% v závislosti na pojezdové rychlosti. Radar byl připojen na frekvenční modul měřící ústředny Spider 8.
Tab. 1 Charakteristika radaru
Typ Model No Seriál No Frequency
RDS True Ground Speed SR 168 – 6 - 010 TGSS.KCK 134725 24.125 GHz (Europe) Made in England
Obr. 20 Radar RDS TGSS na rámu traktoru John Deere 6920S
37
4.4.3 Snímání hodnot ze sítě CAN-Bus Kromě měření jednotlivých hodnot pomocí externích snímačů, bylo u všech uvedených zkoušek prováděno snímání hodnot ze snímačů vozidla prostřednictvím digitální komunikační sběrnice CAN-Bus připojené k měřícímu počítači. Software měřícího počítače umožňuje snímání hodnot ze sítě traktoru. Sběrnice CAN-Bus zkoušeného traktoru je plně kompatibilní se standardem SAE J1939 v rozšířeném ArbID (29 bit). Komunikační rychlost je 250 kbps a analýzou rámců zpráv byly vybrány relevantní kanály. Ze sítě CAN-Bus se odečítaly otáčky motoru, zatížení motoru, spotřeba paliva, teplota chladící kapaliny, teplota paliva a další hodnoty.
Obr. 21 Sběr dat ze sběrnice CAN
4.4.4 GPS modul Doplňková data tvořila matice hodnot GPS modulu, komerčního GPS přístroje Garmin s datovým výstupem na RS 232 a reálnou odezvou 1s.
38
4.4.5 Měření prokluzu Pro výpočet prokluzu traktoru John Deere 6920S bylo nutné měřit skutečnou dráhu ujetou, v našem případě na 5 otáček hnacích kol v měřených úsecích. Teoretická dráha byla naměřena na 5 otočení hnacích kol, když traktor nepřekonával tahovou sílu a když byl tažen jiným traktorem. Prokluz se měřil u obou náprav. Při všech zkouškách byla zapnuta uzávěrka diferenciálu.
4.5 Metodika vyhodnocení měření Spotřeba paliva, otáčky motoru a další parametry byly snímány z digitální sběrnice CAN-BUS stejným způsobem jako při měření tahových zkoušek.
4.5.1 Pracovní záběr Pracovní záběr byl měřen podle ON 47 0166. Ve vzdálenosti 5 m od stěny brázdy bylo rovnoměrně v každém z měřících úseků umístěno 5 vytyček. Po projetí orební soupravy byla změřena vzdálenost mezi vytyčkou a stěnou brázdy. Průměrný pracovní záběr pluhu (B) se z naměřených hodnot vypočte podle vztahu: n
B
kde:
b i 1
i
n
[m]
(1)
n - počet měření [-] bi - i-té měření záběru pluhu
39
4.5.2 Pracovní hloubka Pracovní hloubka (h) byla měřena podle oborové normy ON 47 0169. Ve stejných místech kde byl měřen pracovní záběr, byla také měřena hloubka orby. Pracovní hloubka byla měřena hloubkoměrem jako kolmá vzdálenost roviny povrchu pole a dna brázdy. Průměrná hloubka orby se vypočte pomocí vztahu: n
h
h i 1
i
n
[m]
(2)
Kolísání pracovního záběru a hloubky orby bylo hodnoceno pomocí variačního koeficientu vypočteného ze vztahu:
v kde:
s x
.100
[%]
(3)
s – směrodatná odchylka (záběru, hloubky) [m]
x - průměrná hodnota [m]
4.5.3 Efektivní výkonnost soupravy
W1
kde:
S T1
S – zoraná plocha
[ha.h-1]
(4)
[ha]
T1 – čas na projetí úseku [h]
40
4.5.4 Spotřeba paliva Hodinová spotřeba – hodinová spotřeba paliva byla snímána ze sběrnice CAN-Bus a s frekvencí 20 Hz byla ukládána do paměti počítače. Z naměřených hodnot byla vypočtena průměrná spotřeba pomocí vztahu: n
Qh kde:
Q i 1
hi
n
[l.h-1]
(5)
Qhi – okamžitá hodinová spotřeba paliva [l.h-1] n – počet měření [-]
4.5.4.1.1
Hektarová spotřeba
Q ha
Qh W1
[l.ha-1]
(6)
[ml.m-3]
(7)
Měrná orební spotřeba
Qm
0,1 Q h T1 S.h
41
4.6 Metodika měření jmenovité otáčkové charakteristiky Měření jmenovité otáčkové charakteristiky motoru proběhlo 7.11 2010. Měření točivého momentu bylo provedeno přes vývodový hřídel podle metodiky OECD. Traktor měl zařazen vývodový hřídel pro otáčky 1000 min-1. Po celou zkoušku byla nastavena plná dodávka paliva. Točivý moment na PTO byl měřen hydraulickým dynamometrem MK 8 – 026 s předřazenou mechanickou převodovkou (viz obr. 28 a 29). Připojením měřícího počítače na digitální sběrnici CAN-BUS traktoru byla společně s měřením točivého momentu zaznamenávána spotřeba a teplota paliva, teplota chladící kapaliny, požadovaný točivý moment a další údaje. Regulaci dynamometru spolu se snímáním momentu a otáček zajišťuje řídící počítač pracoviště.
Obr. 22-23 Měření hydraulickým dynamometrem s mechanickou čelní převodovkou
Technické údaje dynamometru: Typ: hydraulický MK 8 – 026 Max. výkon: 320 kW a otáčkách 1500 min-1 Výrobní číslo: 031 Hmotnost: 700 kg Převodovka: TSA 031-301-05-3 Převodový poměr: 3,15 Výrobní číslo: 373 2537 Hmotnost: 360 kg
42
4.7
Metodika vyhodnocení otáčkové charakteristiky Z naměřených údajů byl pro nakreslení jmenovité otáčkové charakteristiky vypočten
výkon motoru, hodinová a měrná spotřeba paliva. Výkon motoru na vývodovém hřídeli se vypočte z naměřeného točivého momentu a otáček motoru pomocí vztahu.
P
Mt π nv 30
[W]
(8)
kde: Mt – průměrný točivý moment na vývodovém hřídeli při ustáleném režimu [Nm], nv – otáčky vývodového hřídele [min-1]. Z naměřené hodinové spotřeby objemové se vypočte hodinová spotřeba hmotnostní pomocí vztahu:
M ph Qh
[kg.h-1]
(9)
kde: Qh – průměrná hodinová spotřeba objemová [l.h-1]. Hustota paliva se mění v závislosti na teplotě a byla pro použité palivo vypočtena z odvozené rovnice
0,67786.t 844,5807 [kg.m-3]
( 10 )
Z hodinové spotřeby a výkonu motoru se vypočte měrná spotřeba motoru přes vývodový hřídel ze vztahu:
mp
M ph P
103
[g.kW-1.h-1]
( 11 )
kde: P – výkon motoru [kW]. Převýšení točivého momentu motoru se vypočte ze vztahu: M
kde:
M max M j Mj
100
[%]
Mmax – maximální točivý moment motoru [Nm], Mj – točivý moment při jmenovitých otáčkách [Nm]. 43
( 12 )
Pokles otáček od jmenovitých po otáčky při maximálním točivém momentu se udává v procentech a stanoví se pomocí vztahu: n
kde:
n j n M max nj
100
[%]
( 13 )
nj – jmenovité otáčky motoru [min-1] nMmax – otáčky motoru při maximálním točivém momentu [min-1].
Hodnoty vypočtené pomocí výše uvedených vztahů se vynáší do grafů charakteristik v závislosti na otáčkách. Jednotlivé body vynesené do grafu se spojí plynulou křivkou.
44
VÝSLEDKY PRÁCE
5
5.1 Vyhodnocení měření energetických a výkonnostních parametrů traktoru při orbě Měřením parametrů orební soupravy byla sledována především efektivní výkonnost objemová, měrná orební spotřeba a prokluz kol. Pro účely diplomové práce byl měřen čas, za který souprava překonala 30 m měřícího úseku, záběr pluhu, hloubka orby a kolísání otáček motoru. Naměřené hodnoty byly vypočteny pomocí excelové tabulky. Tab. 2 a 3 obsahuje měření č. 1-6, při těchto měřeních byla v činnosti polohová regulace. Měření č. 7-12 jejíž hodnoty jsou uvedeny v Tab. 4 a 5 obsahují měření silové regulace. Pro lepší názornost byly nejdůležitější hodnoty vyneseny do grafů (obr. 6-16).
Tab. 2 Výsledky měření polohové regulace, orební soupravy JD 6920 S s pluhem Lemken Vari Diamant 10, úzké pneumatiky, tlak huštění 250 kPa, volič převodovky 0, nastavena rychlost 7 km.h-1, měření 1-6 Měření
R
č.
H
Záběr
Hloubka
průměr
průměr
s
m
m
m.s-1
km.h-1
%
ha.h-1
m3.s-1
l.ha-1
ml.m-3
Čas
Rychlost
Prokluz
Efektivní výkonnost
Efektivní spotřeba
1
1
25,45
2,638
0,252
1,18
4,24
24,6
1,12
0,78
27,72
11
2
1
28,75
2,668
0,252
1,04
3,76
26,74
1
0,7
28,95
11,49
3
1
34,7
2,606
0,24
0,86
3,11
39,4
0,81
0,54
35,64
14,85
4
1
25,8
2,602
0,245
1,16
4,19
24,69
1,09
0,74
28,53
11,65
5
1
22,7
2,634
0,244
1,32
4,76
22,19
1,25
0,85
24,78
10,15
6
1
23,45
2,636
0,266
1,28
4,61
23,3
1,21
0,9
25,54
9,6
26,81
2,63
0,25
1,14
4,11
26,82
1,08
0,75
28,53
11,46
Průměr
45
Tab. 3 Výsledky měření silové regulace, orební soupravy JD 6920 S s pluhem Lemken Vari Diamant 10, úzké pneumatiky, tlak huštěni 250 kPa, volič převodovky 0, nastavena rychlost 7 km.h-1, měření 7-12 Měření
R
č.
H
Záběr
Hloubka
průměr
průměr
s
m
m
m.s-1
km.h-1
%
ha.h-1
m3.s-1
l.ha-1
ml.m-3
Čas
Rychlost
Prokluz
Efektivní výkonnost
Efektivní spotřeba
7
5
22,9
2,642
0,246
1,31
4,72
21,58
1,25
0,85
24,9
10,12
8
5
24,5
2,64
0,244
1,22
4,41
23,18
1,16
0,79
26,72
10,95
9
5
27,55
2,606
0,26
1,09
3,92
31,67
1,02
0,74
30,25
11,63
10
5
24,75
2,62
0,25
1,21
4,36
23,94
1,14
0,79
27,12
10,85
11
5
25,1
2,662
0,24
1,2
4,3
26,78
1,15
0,76
26,64
11,1
12
5
21,95
2,644
0,252
1,37
4,92
21,22
1,3
0,91
23,67
9,39
24,46
2,64
0,25
1,23
4,44
24,73
1,17
0,81
26,55
10,67
Průměr
Tab. 4 Vyhodnocení kolísání otáček motoru JD 6920 S při orbě s polohovou regulací, měření 1-6. Otáčky motoru Měření č.
Max -1
Min -1
Průměr
Sx
-1
-1
Vx
min
min
min
min
%
1
2537,19
1837,67
2179,08
1630,55
5,3
2
2843,49
1605,78
1873,68
1015,15
14,87
3
3435,67
1609,7
1964,3
1008,43
15,04
4
2552,50
1817,93
2018,33
1598,9
5,08
5
2205,36
1867,24
2074,78
1642,85
4,42
6
2292,15
1881,17
2007,48
1670,35
4,26
Průměr
2644,39
1769,92
2019,6
1427,7
8,16
Tab. 5 Vyhodnocení kolísání otáček motoru JD 6920 S při orbě se silovou regulací, měření 7-12. Otáčky motoru Měření č.
Max -1
Min -1
Průměr
Sx
-1
-1
Vx
min
min
min
min
%
7
2246,20
1888,39
1990,18
1695,1
3,08
8
2368,72
1791,77
1972,68
1547,55
4,94
9
2715,86
1723,42
1883,88
1489,2
5,52
10
2435,09
1837,82
2066,4
1588,93
6,28
11
2424,88
1733,74
2053,53
1408,43
9,24
12
2184,94
1940,47
2100,95
1746,83
4,69
Průměr
2395,95
1819,27
2011,27
1579,34
5,62
46
5.1.1 Měrná spotřeba Naměřené a vypočtené parametry spotřeby paliva jsou graficky znázorněny na Obr. 24 a 25. Na Obr. 24 jsou znázorněny hodnoty při orbě na polohovou regulaci. Průměrná hodnota měrné spotřeby činila 11,46 ml.m-3 . Nejnižší měrná spotřeba byla zaznamenána pří měření č. 6, jejíž hodnota činila 9,6 ml.m-3, nevyšší pak při měření č. 3, s hodnotou 14,85.
Obr. 24 Měrná orební spotřeba paliva traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Obr. 25 znázorňuje hodnoty při orbě na silovou regulaci. Průměrná hodnota měrné spotřeby činila 10,67 ml.m-3 . Nejnižší měrná spotřeba byla zaznamenána pří měření č. 12, jejíž hodnota činila 9,39 ml.m-3, nevyšší pak při měření č. 9, s hodnotou 11,63 ml.m-3.
47
Obr. 25 Měrná orební spotřeba paliva traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Porovnaní polohové a silové regulace ukazuje snížení měrné spotřeby paliva o průměrně 0,79 ml.m-3, což procentuelně dělá 6,9%. Také porovnání nejnižších a nejvyšších hodnot měření ukazuje značnou nevyrovnanost hodnot při nastavené polohové regulaci, tento jev je způsoben nevyrovnaným dotěžováním zadních kol traktoru, což zvyšuje prokluz kol a tudíž i měrnou spotřebu paliva.
5.1.2 Prokluz kol Obr. 26 znázorňuje hodnoty prokluzu kol při orbě na polohovou regulaci. Průměrná procentuelní hodnota prokluzu byla 26,82 %. Nejnižší prokluz kol byl zaznamenán pří měření č. 5, jehož hodnota činila 22,19 %, nevyšší pak při měření č. 3, s hodnotou 39,4 %.
48
Obr. 26 Prokluz kol traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Obr. 27 znázorňuje hodnoty prokluzu kol při orbě na silovou regulaci. Průměrná procentuelní hodnota prokluzu byla 24,73 %. Nejnižší prokluz kol byl zaznamenán pří měření č. 12, jehož hodnota činila 21,22 %, nevyšší pak při měření č. 9, s hodnotou 31,67 %.
Obr. 27 Prokluz kol traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Toto porovnaní polohové a silové regulace ukazuje, že snížení prokluzu vlivem silové regulace kleslo o průměrně 2,09%, což je při porovnání hodnot s polohovou regulací 7,79%.
49
Porovnání nejnižších a nejvyšších hodnot měření ukazuje jako při hodnocení měrné spotřeby paliva značnou nevyrovnanost hodnot při nastavené polohové regulaci.
5.1.3 Variační koeficient otáček Obr. 28 znázorňuje hodnoty variačního koeficientu otáček při orbě na polohovou regulaci. Průměrná procentuelní hodnota variačního koeficientu otáček byla 8,16 %. Nejnižší hodnota variačního koeficientu otáček byla zaznamenána pří měření č. 6, jejíž hodnota činila 4,26 %, nevyšší pak při měření č. 3, s hodnotou 15,04 %.
Obr. 28 Kolísání otáček motoru traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Obr. 29 znázorňuje hodnoty variačního koeficientu otáček při orbě na silovou regulaci. Průměrná procentuelní hodnota variačního koeficientu otáček byla 5,62 %. Nejnižší hodnota variačního koeficientu otáček byla zaznamenána pří měření č. 7, jejíž hodnota činila 3,08 %, nevyšší pak při měření č. 11, s hodnotou 9,24 %.
50
Obr. 29 Kolísání otáček motoru traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Porovnaní polohové a silové regulace ukazuje, že došlo ke snížení hodnoty variačního koeficientu otáček při orbě se silovou regulaci o průměrně 2,54 %, což je při porovnání hodnot s polohovou regulací o 31,13%. Také porovnáním nejvyšších hodnot měření ukazuje značnou nevyrovnanost otáček motoru při nastavené polohové regulaci. Orba na silovou regulaci je charakteristická nízkým kolísání otáček ve srovnání s regulací polohovou. Z uvedeného grafu je možné konstatovat, že silová regulace dokáže při měnících se půdních podmínkách motor držet v užším rozsahu otáček motoru ve srovnání s polohovou regulací.
51
5.1.4 Objemová výkonnost Obr. 30 znázorňuje hodnoty objemové výkonnosti při zapnuté polohové regulaci. Průměrná hodnota objemové výkonnosti byla 0,75m3.s-1. Nejnižší hodnota objemové výkonnosti byla zaznamenána pří měření č. 3, jehož hodnota činila 0,54m3.s-1, nevyšší pak při měření č. 6, s hodnotou 0,9m3.s-1.
Obr. 30 Objemová výkonnost orební soupravy při polohové regulaci, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Obr. 31 znázorňuje hodnoty objemové výkonnosti při zapnuté silové regulaci. Průměrná hodnota objemové výkonnosti byla 0,81m3.s-1. Nejnižší hodnota objemové výkonnosti byla zaznamenána pří měření č. 9, jehož hodnota činila 0,74m3.s-1, nevyšší pak při měření č. 12, s hodnotou 0,91m3.s-1.
52
Obr. 31 Objemová výkonnost orební soupravy při silové regulaci, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1.
Porovnaní polohové a silové regulace ukazuje, že došlo ke zvýšení objemové výkonnosti při zapnuté silové regulaci o průměrně 0,06 m3.s-1, což je při porovnání hodnot s polohovou regulací o 7,40%. Měření č. 3 se opět vyznačuje nejhorší hodnotou, což dokazuje, že při zvýšení prokluzu dochází ke snížení hodnoty objemové výkonnosti.
5.1.5 Porovnání průměrných hodnot
Obr. 32 Porovnání průměrných výsledků měrné spotřeby, prokluzu kol a variačního koeficientu otáček
53
Obr. 33 Porovnání průměrných výsledků výkonností
Porovnáním průměrných výsledků polohové a silové regulace na Obr. 32 a 33 můžeme konstatovat, že orba prováděná se silovou regulací dosáhla ve všech případech lepších výsledků. Vliv dotěžování zadních kol traktoru pomocí silové regulace způsobuje snižování prokluzu, čímž je zvýšena výkonnost a snížena spotřeba. Jako další kladný jev silové regulace je nižší kolísání otáček ve srovnání s regulací polohovou.
54
5.2 Vyhodnocení měření parametrů motoru Měření jmenovité otáčkové charakteristiky motoru bylo provedeno přes PTO s nastavenou plnou dodávkou paliva. Klimatizace byla během zkoušky zapnutá. Výsledky měření jsou uvedeny v Tab. 6 a v grafu otáčkové charakteristiky na Obr. 34. Při měření č. 144 byla naměřena nejnižší hodnota spotřeby.
Tab. 6 Výsledky měření jmenovité charakteristiky motoru JD 6920S přes PTO
Číslo měření
CAN Otáčky motoru n [min-1]
Točivý moment Mt [Nm]
Výkon motoru Pe [kW]
CAN Průtok paliva [l.h-1]
Hodinová spotřeba Mp [kg.h-1]
Měrná spotřeba paliva mpe [g.kW-1h-1]
CAN Teplota chladicí kapaliny [oC]
CAN Teplota paliva [oC]
133
2180,3
379,1
86,51
26,9
21,78
251,70
88,6
51,0
134
2106,3
473,2
104,32
30,0
24,21
232,09
90,8
53,9
135
2078,8
502,5
109,34
30,1
24,29
222,17
91,9
55,9
136
2053,2
519,53
111,65
30,3
24,42
218,70
94,0
57,0
137
1993,9
537,29
112,13
30,7
24,70
220,26
96,0
58,0
138
1925,3
550,99
111,03
31,0
24,94
224,66
96,0
58,0
139
1851,2
586,33
113,61
31,2
25,10
220,94
96,0
58,0
140
1811,0
604,73
114,63
31,3
25,16
219,45
95,9
58,9
143
1735,1
630,86
114,57
31,3
25,18
219,77
98,0
60,0
144
1654,9
651,42
112,83
30,7
24,64
218,39
99,0
61,0
145
1577,1
653,62
107,90
29,6
23,78
220,39
97,2
60,5
146
1513,0
653,4
103,47
28,8
23,12
223,41
98,0
61,0
147
1434,3
634,37
95,23
27,8
22,29
234,07
97,5
61,5
148
1364,6
648,39
92,61
26,4
21,16
228,50
99,0
62,0
149
1311,3
637,72
87,52
25,0
20,01
228,68
100,0
63,0
55
120
660
108
600
96
540
84
480
72
420
60
360
48
300
36
240
24
180
12
120 1300
Výkon motoru P e [kW]
[g.kW -1.h-1] pe
Točivý moment M t [N.m]
Měrná spotřeba paliva m
720
0 1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
Otáčky motoru n [min-1] Točivý moment Mt
Měrná spotřeba paliva mpe
Výkon motoru Pe
Obr. 34 Jmenovitá otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 6920S , měřeno přes PTO
Tab. 7 Výsledky měření parametrů motoru JD 6920S
PARAMETR
VELIKOST
Nejnižší měrná spotřeba paliva
218,39 při 1654,9 min-1 a točivém momentu 651,42 Nm
Max. výkon Pe
114,63 kW při 1811 min-1
Max. točivý moment Mt
653,62 Nm při 1577,1 min-1
Nejmenší měrná spotřeba mpe
218,39 g.kW-1.h-1 při 1654,9 min-1
Jmenovité výkon Pe
104,32 kW při 2106 min-1
Převýšení točivého momentu ∆Mt
38,12 %
Pokles otáček ∆n
25,16 %
Rozsah konstantního výkonu
1650 – 2050 min-1
56
Při měření č. 144 byla naměřena nejnižší hodnota spotřeby. Minimální měrná spotřeba činila 218,4 g.kW-1.h-1 a byla naměřena při otáčkách 1654 min-1 a točivém momentu 651,42 Nm. Hodinová spotřeba paliva se během měření pohybovala od 25 l.h-1 až do 31,3 l.h-1 při teplotě nafty 51 – 63 oC. Z tabulek (Tab. 6, 7) a grafu (Obr. 34) je patrné, že maximální výkon motoru, naměřený přes vývodový hřídel, byl 114,63 kW při otáčkách 1811 min-1. Maximální točivý moment 653,6 Nm byl naměřen při otáčkách 1577 min-1. Velikost převýšení točivého momentu dosáhla 38,12 % při poklesu otáček 25,16 %.
57
6
ZÁVĚR Cílem diplomové práce bylo zhodnotit vliv regulační hydrauliky na výstupní parametry
traktorové soupravy a doporučit zatížení motoru a nastavení regulačních prvků traktoru pro snížení spotřeby paliva. Měřením a výpočty byly zjištěny hodnoty efektivní měrné spotřeby paliva, prokluzu kol, efektivní objemové výkonnosti a variační koeficient otáček motoru traktorové soupravy. Ze získaných údajů bylo zjištěno, že orba provedena s použitím silové regulace vykázala lepší výsledky ve všech měřeních. Úsporu měrné spotřeby paliva ve výší 0,79 ml.m-3, což při porovnání hodnot s polohovou regulací dělá 6,9%. Nižší prokluz kol při orbě se silovou regulací o 2,09%, což je při porovnání hodnot s polohovou regulací procentuelně 7,79%. Objemová výkonnost byla větší o 0,06 m3.s-3, tedy při porovnání hodnot s polohovou regulací činí procentuelní hodnota rozdílu 7,40%. Dalším pozitivem je vliv silové regulace na hodnotu variačního koeficientu, který dokumentuje snížení kolísání otáček motoru. Při orbě na silovou regulaci byla hodnota variačního koeficientu otáček nižší 5,62%, rozdíl s polohovou regulací činil 2,54%.
Orba na silovou regulaci je charakteristická nízkým kolísáním otáček ve
srovnání s regulací polohovou. Z uvedených hodnot je možné konstatovat, že silová regulace dokáže při měnících se půdních podmínkách motor držet v užším rozsahu otáček ve srovnání s polohovou regulací. Měřením jmenovité otáčkové charakteristiky traktoru John Deere 6920S přes vývodový hřídel bylo zjištěno, že nejlepší měrné spotřeby paliva dosahuje při točivém momentu 651,42 Nm. Na základě realizovaných měření bych doporučil při orbě využívat motor traktoru v oblasti nejvyššího točivého momentu, společně s nastavenou silovou regulací.
58
SEZNAM LITERATURY Bauer F. a kol.: Traktory, Nakladatelství Profi Pree, s. r. 0., Praha 2006, ISBN 80-86726-15-0 Semetko J. a kol.: Mobilné energetické prostriedky, Nakladatelství Priroda, Bratislava 1986 Grečenko, Kolové a pásové traktory, Státní zemědělské nakladatelství, Praha 1960 Šmerda T., Čupera J. Bauer F., Sedlák P.: časopis Mechanizace zemědělství 2008, č. 1, ISSN 0373-6776. Šmerda T., Čupera J. Bauer F., Sedlák P.: časopis Mechanizace zemědělství 2009, č. 9, ISSN 0373-6776 Šmerda T., Čupera J. Bauer F., Sedlák P.: časopis Mechanizace zemědělství 2008, č. 1, ISSN 1210-3926 http://www.agroweb.cz/ http://www.stromzapad.cz/ http://autnt.fme.vutbr.cz/szz/2007/BP_Janovec.pdf
59
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Motor traktoru John Deere 9030, s technologií Common Rail a recirkulace výfukových plynů ..................................................................................................................... 11 Obr. 2 Převodovka traktoru John Deere 8030 s technologií Power Shift ............................... 14 Obr. 3 Podvozek traktoru - bezrámová konstrukce ................................................................. 15 Obr. 4 Podvozek traktoru - polorámová konstrukce ............................................................... 15 Obr. 5 Podvozek traktoru - rámova konstrukce systémového nosiče Fastrac ......................... 16 Obr. 6 Schéma mechanického regulačního systému Zetormatic - smíšená regulace .............. 19 Obr. 7 Schéma řešení regulační hydrauliky SHR ................................................................... 20 Obr. 8 Elektrohydraulické ovládání tříbodového závěsu traktoru .......................................... 21 Obr. 9 Příklad provedení ovládání tříbodového závěsu .......................................................... 23 Obr. 10 Ovladač silové/polohové regulace ............................................................................. 23 Obr. 11 Nastavení potenciometru při polohové regulaci ......................................................... 24 Obr. 12 Nastavení potenciometru při silové regulaci .............................................................. 25 Obr. 13 Nastavení potenciometru při smíšené regulaci .......................................................... 26 Obr. 14 John Deere 6920S ...................................................................................................... 28 Obr. 15 Pluh Lemken Vari Diamant ....................................................................................... 31 Obr. 16 Pohled na pozemek .................................................................................................... 32 Obr. 17 Traktor John Deere 6920S v soupravě s návěsným 6-radličným pluhem Lemken Vari Diamant10 ................................................................................................................................ 34 Obr. 18 Potenciometry pro nastavení regulační hydrauliky (John Deere 6920 S) .................. 35 Obr. 19 Okno nastavení programu .......................................................................................... 36 Obr. 20 Radar RDS TGSS na rámu traktoru John Deere 6920S ............................................. 37 Obr. 21 Sběr dat ze sběrnice CAN .......................................................................................... 38 Obr. 22-22 Měření hydraulickým dynamometrem s mechanickou čelní převodovkou ......... 42 Obr. 24 Měrná orební spotřeba paliva traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ..................................................... 47 Obr. 25 Měrná orební spotřeba paliva traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ..................................................... 48 Obr. 26 Prokluz kol traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ............................................................................. 49 Obr. 27 Prokluz kol traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ............................................................................. 49 60
Obr. 28 Kolísání otáček motoru traktoru při orbě s polohovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ............................................................ 50 Obr. 29 Kolísání otáček motoru traktoru při orbě se silovou regulací, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ............................................................ 51 Obr. 30 Objemová výkonnost orební soupravy při polohové regulaci, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. ............................................................ 52 Obr. 31 Objemová výkonnost orební soupravy při silové regulaci, tlak huštění kol 250 kPa, volič převodovky 0, nastavená rychlost 7 km.h-1. .................................................................... 53 Obr. 32 Porovnání průměrných výsledků měrné spotřeby, prokluzu kol a variačního koeficientu otáček .................................................................................................................... 53 Obr. 33 Porovnání průměrných výsledků výkonností ............................................................. 54 Obr. 34 Jmenovitá otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 6920S , měřeno přes PTO .......................................................................................................................................... 56
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Charakteristika radaru ................................................................................................... 37 61
Tab. 2 Výsledky měření polohové regulace, orební soupravy JD 6920 S s pluhem Lemken Vari Diamant 10, úzké pneumatiky, tlak huštění 250 kPa, volič převodovky 0, nastavena rychlost 7 km.h-1, měření 1-6 ................................................................................................... 45 Tab. 3 Výsledky měření silové regulace, orební soupravy JD 6920 S s pluhem Lemken Vari Diamant 10, úzké pneumatiky, tlak huštěni 250 kPa, volič převodovky 0, nastavena rychlost 7 km.h-1, měření 7-12 .................................................................................................................. 46 Tab. 4 Vyhodnocení kolísání otáček motoru JD 6920 S při orbě s polohovou regulací, měření 1-6............................................................................................................................................. 46 Tab. 5 Vyhodnocení kolísání otáček motoru JD 6920 S při orbě se silovou regulací, měření 712. ............................................................................................................................................. 46 Tab. 6 Výsledky měření jmenovité charakteristiky motoru JD 6920S přes PTO .................... 55 Tab. 7 Výsledky měření parametrů motoru JD 6920S ............................................................. 56
62
