MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
VÍT POSPÍŠEK
MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA ÚSTAV ZEMĚDĚLSKÉ, POTRAVINÁŘSKÉ A ENVIROMENTÁLNÍ TECHNIKY
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ POJEZDOVÝCH ÚSTROJÍ MANIPULÁTORŮ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Pospíšil, CSc.
Vít Pospíšek
Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Konstrukční řešení pojezdových ústrojí manipulátorů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………. podpis diplomata …………………..
PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych chtěl poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Pospíšilovi CSc. za věnovaný čas a poskytnutí cenných rad. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Vítovi Uhlířovi Ph.D. za ochotu a odborné konzultace.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá popisem strojů pro manipulaci se zaměřením na teleskopické nakladače. Dále na zhodnocení využívaných konstrukčních řešení pojezdových ústrojí nakladačů a možnosti jejich využití v zemědělském provozu.
KLÍČOVÁ SLOVA: Nakladač, manipulace, hydrostatický pohon, hydrodynamický pohon
ABSTRACT: This Thesis describes machines for materials handling and focusing on telescopics loaders. Thesis also evaluates design of the running gear of the loaders and possibility of the usage in agriculture.
KEY WORDS: Loader, handling, hydrostatic drive, hydrodynamic drive
OBSAH: 1 ÚVOD ............................................................................................................................ 8 1.1 Historický vývoj ..................................................................................................... 8 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 10 3 SOUČASNÝ STAV .................................................................................................... 11 3.1 Rozdělení strojů pro manipulaci ........................................................................... 11 3.1.1 Rypadlo .......................................................................................................... 11 3.1.2 Harvestor ....................................................................................................... 11 3.1.3 Vysokozdvižný vozík .................................................................................... 11 3.1.4 Jeřáby ............................................................................................................. 11 3.1.5 Teleskopický manipulátor.............................................................................. 12 3.1.6 Nakladače....................................................................................................... 13 3.2 Popis teleskopického manipulátoru ...................................................................... 15 3.2.1 Rám ................................................................................................................ 15 3.2.2 Rameno výložníku ......................................................................................... 15 3.2.3 Motor ............................................................................................................. 16 3.2.4 Kabina obsluhy .............................................................................................. 17 3.2.5 Příslušenství ................................................................................................... 18 3.2.6 Hydraulická soustava ..................................................................................... 19 3.2.7 Závěsy ............................................................................................................ 20 3.2.8 Možnosti řízení náprav .................................................................................. 20 3.2.9 Pohon pojezdu................................................................................................ 21 3.3 Jednotlivé typy pojezdů ........................................................................................ 22 3.3.1 Hydrodynamický pohon ................................................................................ 22 3.3.2 Hydrostatický pohon ...................................................................................... 23 4 VLASTNÍ PRÁCE ...................................................................................................... 26
4.1 Nasazení nakladačů v zemědělství ....................................................................... 26 4.1.1 Nakladače a manipulátory ............................................................................. 26 4.1.2 Rostlinná a živočišná výroba ......................................................................... 28 4.1.2.1 Živočišná výroba..................................................................................... 29 4.1.2.2 Rostlinná výroba ..................................................................................... 29 4.2 Porovnání jednotlivých typů pojezdů ................................................................... 32 4.2.1 Hydrodynamický pohon ................................................................................ 32 4.2.2 Hydrostatický pohon ...................................................................................... 33 5 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 34 6 POUŽITÁ LITERATURA .......................................................................................... 35 7 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................. 38
1 ÚVOD Nejdůležitějším mechanismem pro práce vyžadující manipulaci v různých odvětvích jako je zemědělství, stavebnictví, lesnictví a podobně, je nakládací mechanismus s velkým počtem různých pracovních nástrojů, které jsou vhodně konstrukčně uspořádány pro manipulaci. Vzhledem ke krátkým přepravním vzdálenostem v rámci zemědělského podniku (ve vnitřní dopravě), a tím i krátkým dopravním cyklům, má volba nakladače významnou roli pro dosažení vysokých výkonností v dopravě a z toho vyplývajících nízkých nákladů na dopravní operace. To platí zejména u dopravních prostředků a souprav s vysokou užitečnou hmotností. Nakladače jsou v zemědělství, vedle některých sklizňových strojů (sklízecích řezaček, sběracích návěsů, sklízecích mlátiček, sklízečů okopanin apod.), rozhodujícím technickým prostředkem pro ložné operace, neboť nakládají většinu dopravovaných materiálů. (Mašek, zemědělec 2008)
1.1 Historický vývoj Koncem sedmdesátých let minulého století přicházely do zemědělských podniků první samojízdné nakladače nové koncepce. Tyto nakladače byly vybaveny teleskopickým výložníkem umožňující dosáhnout vysokých překládacích a především skladovacích výšek. Vyznačovaly se výbornou manévrovatelností a snadnou obsluhou. Prvými nakladači této koncepce u nás byly nakladače JCB 520 a JCB 524-4. Později se pro tyto stroje vžil název manipulátory. Jak v zahraničí, tak i v českých zemědělských podnicích získávají manipulátory v posledním období značnou oblibu a postupně vytlačují samojízdné čelní nakladače zejména v živočišné výrobě a při ložných operacích ve skladech. Základními parametry, které určují vhodnost manipulátoru do konkrétních provozních podmínek, jsou nosnost (zdvihová síla), výška zdvihu, popř. překládací (výsypná) výška, výkonnost daná dobou jednotlivých fází pracovního cyklu a hmotností náběru pracovního nářadí a schopnost práce v terénu. (Sýrový a kol., 2008)
8
Obr. 1 Jeden z prvních teleskopických manipulátorů JCB (farmequipmentservice.co.uk)
Obr. 2 Moderní teleskopický manipulátor Manitou MLT 1035 (gunco.com)
9
2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je analyzovat současný stav strojů pro manipulaci. Zhodnotit jednotlivé konstrukční řešení pojezdového ústrojí teleskopických manipulátorů. Dále pak možnosti jejich využití v zemědělském provozu. A také určit vhodnost jednotlivých konstrukčních řešení pojezdů teleskopických nakladačů v zemědělském provozu.
10
3 SOUČASNÝ STAV 3.1 Rozdělení strojů pro manipulaci 3.1.1 Rypadlo Rypadlo nebo bagr je kolový nebo pásový stroj, který se používá při těžbě, nakládání a přemisťování různých materiálů. Hlavní jeho částí je pracovní zařízení (lopata), které umožňuje podkop. Dále pak kabina s pracovištěm obsluhy a podvozek. 3.1.2 Harvestor Je to více operační stroj, který při těžbě dříví kácí, odvětvuje, rozřezává a ukládá strom v jednom cyklu. Celkový cyklus je plně mechanizovaný a automatizovaný. Harvestory se dělí do tří tříd podle výkonu, hmotnosti a dosahu výložníku jeřábu. V současné době se nejvíce prosazuje střední třída pro možnost jejího nasazení jak v probírkách, tak v mýtní těžbě. 3.1.3 Vysokozdvižný vozík Mobilní stroj používaný nejčastěji při nakládání a manipulaci s paletami a to ve stavebnictví nebo logistice. Tyto vozíky mají většinou malé kola připojené na pevno ke konstrukci, což znamená, že nejsou vhodné k používání na nezpevněném a hrbolatém terénu. Vyrábí se i vysokozdvižné vozíky, které jsou určené do terénu, ty však mají k tomu přizpůsobený podvozek. Pracují převážně při vertikální manipulaci s materiálem. Příbuzné prostředky pro manipulaci mohou být ruční nebo elektrické. 3.1.4 Jeřáby Jeřáby jsou cyklicky pracující mobilní nebo stacionární strojní zařízení přizpůsobená k manipulaci s břemeny. S břemeny manipulují s variabilní výškou zdvihu v určitém prostoru nad úrovní roviny, na které se jeřáb nachází, resp. s břemeny manipulují s variabilní hloubkou spuštění pod úroveň, na které se jeřáb nachází. Na konstrukci jeřábů závisí rozsah zdvihu a schopnost manipulovat s břemeny po určité dráze při pohybu jeřábu na podvozku. Hydraulický jeřáb je tvořen rámem, otočným svislým sloupem (stožárem), na kterém je u některých modelů umístěna sedačka operátora, výložníkem,
11
pracovním adaptérem s příslušenstvím a hydraulickým vybavením (hydromotory, rozvaděč) a v poslední době lze spatřit i systémy dálkového ovládání. Součástí hydraulických jeřábů jsou hydraulicky nastavitelné podpěry. Některé hydraulické jeřáby jsou vybaveny kabinou pro práci operátora umístěné na svislém sloupu. Pracovním adaptérem může být například dvoučelisťový drapák pro nakládání sypkých hmot, pro manipulaci s kulatinou a tyčovinou, hák pro zavěšování a manipulaci s břemeny, kleště pro vrstvení kamenů, jeřábové vidle, nožový drapák a vícečelisťový drapák pro nakládání šrotu. (Cejlak, zemědělec 2013) -
Stavební jeřáb ̶ je zařízení určené k manipulaci s břemeny, zpravidla na stavbách, často je můžeme vidět také ve skladech a loděnicích. Provedení může být bez pojezdu, kdy je obsluhována kruhová manipulační plocha nebo s pojezdem, kdy je obsluhována plocha tvaru oválu. Oboje řešení má své výhody i nevýhody, obecně ale platí, že volná výška jeřábu s pojezdem je omezena. V současné době se od používání věžových jeřábů s pojezdem ustupuje, protože náklady na zřízení a údržbu dočasné jeřábové dráhy jsou vysoké. (wikipedie)
-
Autojeřáb ̶ Jedná se o autojeřáby s teleskopicky vysouvatelným ramenem (výložníkem). Základní části jsou - podvozek s vysouvacími opěrami, otočný vršek s kabinou jeřábníka, vícedílný teleskopický výložník (může být s nástavci), kladnice s hákem a navíjecí lanový buben. Veškeré pohyby a funkce jsou zajišťovány pomocí hydraulických systémů. (wikipedie)
3.1.5 Teleskopický manipulátor Manipulátory, tedy nakladače s teleskopicky výsuvným ramenem a oběma řiditelnými nápravami s možností natočení kol v různém režimu, si do našeho zemědělství razí ve větší míře cestu zhruba od poloviny 90. let dvacátého století. Během posledních deseti let se pak tato technika značně rozšířila a začaly ji využívat rovněž podniky a farmy, které se investicím do těchto strojů dlouho bránily. Někteří majitelé dokonce tvrdí, že rozdělují historii podniku na dobu před nákupem manipulátoru a po jeho pořízení. (Javorek, zemědělec 2011)
12
3.1.6 Nakladače Nakladače jsou samojízdné stroje pásové nebo kolové s integrovanou vpředu namontovanou nosnou konstrukcí zařízení, které umožňuje uchopit a nést břemeno (lopata, vidle, kleště na balíky). (Cejlak, zemědělec 2013) Sypká břemena nabírá, těží anebo rozpojuje prostřednictvím pohybu stroje kupředu, kusová břemena může uchopit pohybem pracovního nosného zařízení. Břemena přepravuje na krátkou vzdálenost pohybem celého stroje a ukládá je jednorázově nebo postupně vysypává zdvižením výložníku nebo naklopením lopaty do stanoveného místa. Z této definice vyplývá, že nakladač je určen především pro manipulaci s břemeny nebo sypkými hmotami. (Cejlak, zemědělec 2013) Dělíme do více skupin: -
smykem řízené ̶ jsou určeny pro práce v nejrůznějších odvětvích a to např. ve stavebnictví nebo zemědělství. Pro svoje vysoké manévrovací schopnosti se tyto nakladače uplatňují při pracovně náročných úpravách terénů, přípravách terénu pro stavby, nakládání a přemísťování materiálu, provádění výkopů, zvedání nákladů např. palet atd. Pomocí jednoduchého systému rychloupínače je možné snadno a rychle připojovat i uvolňovat různá přídavná zařízení, která značně rozšiřují pracovní možnosti – tedy využitelnost těchto nakladačů. Tyto nakladače jsou velmi stabilní a obratné, jejich nedostatkem může být větší ojíždění pneumatik dané smykovým řízením a také díky nízko uloženému těžišti menší průjezdnost v terénu.
Obr. 3 Smykem řízený nakladač Bobcat (bobcat.cz) 13
-
Kloubové ̶ malé kloubové nakladače si našly svoji oblibu u řady zemědělců, zejména pak těch, kteří provozují živočišnou výrobu v prostorách, do nichž se nevejdou klasické manipulátory. Kloubové řízení a malé rozměry jsou přitom nespornou výhodou při průjezdu zúženými prostorami a i s takto relativně malými stroji lze dosahovat dobrých hodinových výkonů. Obvykle jsou tyto stroje vybavovány motory s výkonem do 100 koňských sil, jsou s jednoduchou výbavou (často bez kabiny). Pojezd bývá řešen hydrostatickou cestou, takže i ovládání nakladačů je jednoduché. Kloubové řízení má pouze jednu slabinu a tou je nižší stabilita nakladače při zatáčení. (Stehno, zemědělec 2006)
Obr. 4 Kloubový nakladač Volvo (stavebni-technika.cz) -
čelní traktorové ̶ jejich konstrukce se skládá z konzoly připevněné k traktoru pro uchycení nakladače a vlastního nakladače tvořeného rameny (výložníkem) s přímočarým hydromotorem a dalšími komponenty hydraulického zařízení. Jednotlivé typy se liší především velikostí nakladače, zdvihovou silou, výškou zdvihu a vybavením. Pro činnost čelního nakladače se používá hydraulické zařízení traktorů. Traktorové čelní nakladače rozšiřují využití traktorů na zemědělské farmě, a tím i snižují jejich přímé náklady na hodinu provozu. Krátká doba jejich montáže a demontáže umožňuje operativně použít traktor podle potřeby. (Cejlak, Zemědělec 2013)
14
Obr. 5 Čelní traktorový nakladač Landini (moreauagri.cz)
3.2 Popis teleskopického manipulátoru 3.2.1 Rám Základ každého manipulátoru tvoří robustní rám a kvalitní podvozek. Rám manipulátorů bývá žebřinového nebo příhradového typu a slouží nejen k připojení náprav, motoru, výložníku a kabiny, ale také je významným stabilizačním prvkem, který ovlivňuje boční pohyb stroje, což je důležité především při požadavku na přesné uložení nákladu. (Pospíšil, zemědělec 2008)
3.2.2 Rameno výložníku Rameno manipulátoru (výložník) je složen ze dvou až čtyř částí, záleží na potřebném maximálním dosahu. Posuv sekcí ramen se může ovládat buď hydraulicky, mechanicky nebo kombinací obou možností. Bod, ve kterém je rameno výložníku uloženo ke stroji, ovlivňuje výšku, těžiště i možnosti výhledu obsluhy z kabiny. Zpravidla je rameno uloženu nízko a vzadu za kabinou obsluhy. Posunutí bodu otáčení ramene do zadní části konstrukce zlepšuje také stabilitu stroje. Poloha uchycení ramene na stroji ovlivňuje nutnost používání dodatečných závaží. Přesné vedení sekcí ramen zaručují kluzáky vyráběné z materiálů vysoce odolných proti opotřebení s velmi nízkým koeficientem tření. 15
Kluzáky na koncích každé sekce umožňují optimální nastavení sekcí ramene jak při montáži, tak i přesné vymezení vůlí při provozní údržbě. Výložník je navržen tak, aby zvládal velké provozní zatížení. Nosnost manipulátoru je různá, může být až 4500 kg a zvedací výška je 9 m, ale může být i větší. Při práci ve svahu může hrozit nehoda převrhnutí stroje, proto bývá hlídána elektronickými bezpečnostními prvky. 3.2.3 Motor Teleskopické manipulátory používají tří nebo čtyřválcovou pohonnou motorovou jednotku o výkonu od 25 kW u menších manipulátorů až po 110 kW u nejsilnějších verzí. Motor bývá umístěný buď v zadní části nebo vedle kabiny řidiče. Každá koncepce má svoje výhody i nevýhody. U strojů s motorem uloženým vzadu slouží jako součást závaží, což působí jako vyrovnání váhy vysunutého ramene. Nevýhodou této možnosti uložení motoru je zhoršení výhledu za zadní část stroje a také nutnost umístění ramene více ke středu nakladače. Motor, který je uložen na boční straně stroje, má velkou výhodu, která spočívá v možnosti uložení ramene k zadnímu kraji, což umožňuje lepší rozložení sil na rameni a menší dotížení závažím. Každý výrobce používá jinou značku motorů (John Deere, Perkins, Deutz, IVECO).
Obr. 6 Teleskopický manipulátor s motorem uloženým vzadu (technikboerse.com)
16
Obr. 7 Teleskopický manipulátor s motorem uloženým na boční straně (moreauagri.cz) 3.2.4 Kabina obsluhy Nejdůležitějšími požadavky na kabinu je zajistit obsluze pohodlí, komfort, bezpečnost, a v neposlední řadě dokonalý výhled. Samozřejmost je zajištění dokonalého výhledu na nářadí umístěné na čelní straně. Zde je třeba počítat s dobrým výhledem i v případě nakládky do dopravních prostředků, jejichž bočnice přesahují výšku manipulátoru. Významným činitelem při práci s manipulátorem je umístění ovládacích prvků. V konstrukci manipulátoru se stejně jako u ostatních samojízdných strojů uplatňuje trend ovládání levou rukou na volantu, ovládání ostatních funkcí pravou rukou pomocí sdruženého ovládače (joystick), integrovaného v posuvné sedačce. Obsluhu pomocí joysticku zabezpečuje nejen ovládání výložníku (zvedání/spouštění, zasouvání/vysouvání, vyklápění/sklápění), ale i ovládání směru jízdy, zapínání uzávěrky diferenciálu a další funkce. Konstrukce joysticku kombinuje zpravidla hydraulický křížový rozvaděč (pro čtyři základní pohyby) s dalšími ovládači na jeho hlavici. Tyto ovladače mohou fungovat nejen jako spínače, ale také jako proporcionální ovladače, umožňující plynulou regulaci průtoku oleje.
17
Bez elektroniky to nejde ani u manipulátorů, a proto i zde nalezneme integrovanou elektronickou jednotku, jež usnadňuje obsluhu a pomáhá řešit vzniklé problémy při případné poruše.
Obr. 8 Kabina řidiče (de.manitou.com)
3.2.5 Příslušenství Klíčem k univerzálnosti manipulátorů je přídavné nářadí, které je připevňováno na konci výložníku a díky jeho hydraulické soustavě může být i aktivně poháněno. Díky jednoduchosti rychloupínacího rámu umožňuje obsluze rychlou výměnu nářadí s ručním nebo automatických zajištěním připojeného nářadí. Doba potřebná k přepojení adaptérů se většinou pohybuje v rozmezí pár minut, záleží na konstrukci připojovacího zařízení. Rychloupínací systém s automatickým jištěním umožňuje zpravidla výměnu adaptéru bez vystupování řidiče z kabiny, pokud není nutnost připojení hydraulického okruhu. Manipulátory si získaly oblibu díky široké škále různých adaptérů. Od lopat přes vidle až po různé speciální zařízení, jako jsou žací lišty, rozdružovače balíků, kleště na válcové a hranolové balíky, vykusovače silážních bloků apod. (Pospíšil, zemědělec 2008)
18
Obr. 9 Vykusovač siláže (moreauagri.cz)
Obr. 10 Adaptér pro manipulaci s balíky v ochranné fólii (moreauagri.cz) 3.2.6 Hydraulická soustava Ovládání všech funkcí manipulátoru je řešeno ve většině případů hydraulicky. Jako zdroj tlakového oleje se používají buďto zubové hydrogenerátory s tlakem asi 23 MPa a průtokem 110 l/min, nebo pístové axiální hydrogenerátory s tlakem 24 MPa a průtokem 150 l/min. Součástí hydraulické soustavy většiny manipulátorů s regulačním axiálním pístovým hydrogenerátorem je i systém load sensing. Tento systém zajišťuje optimální (právě potřebný) výkon hydrogenerátoru, kterým je zajištěn optimální průtok oleje ve všech současně pracujících prvcích. Je běžné, že jsou prováděny dvě i tři funkce výložníku současně. (Pospíšil, zemědělec 2008)
19
3.2.7 Závěsy V poslední době výrobci manipulátorů dále rozšiřují možnosti využití manipulátoru v zemědělství a to montáží různých typů závěsů. Mezi spodní závěsy patří výkyvný závěs, pevný závěsný čep nebo agrozávěs. Další možností je také tříbodový závěs nebo stavitelný etážový. Tříbodový závěs je doplněn silovou a polohovou hydraulikou stejně jako u traktorů.
Obr. 11 Teleskopický manipulátor Merlo s tříbodovým závěsem (tmcihak.cz)
3.2.8 Možnosti řízení náprav U teleskopických manipulátorů se setkáváme s více možnostmi řízení náprav. Je to z důvodu rychlejší, přesnější a jednodušší manipulace.
20
Většinou jsou to tři možnosti: -
řízení přední nápravy ̶ tato možnost je výhodná k přemisťování na větší vzdálenosti, kdy není potřeba manipulace
-
řízení obou náprav ̶ výhoda u tohoto typu řízení spočívá v tom, že se zmenší poloměr otáčení, což umožní otáčení v menších prostorách
-
tzv. „krabí chod“ ̶ poslední způsob řízení. Nesporný klad má v možnosti najetí co nejblíže ke stěně např. při vyhrnování chodeb v živočišné výrobě.
Obr. 12 Možnosti řízení náprav (ematech.sk)
3.2.9 Pohon pojezdu Výrobci manipulátorů volí mezi dvěma možnostmi pohonu pojezdu. Využívá se pohon s mechanickou převodovkou a hydrodynamickým měničem (hydrodynamický pohon) anebo hydrostatický pohon.
21
Obr. 13 Joystick pro ovládání hydraulických systémů a pojezdu (moreauagri.cz)
3.3 Jednotlivé typy pojezdů 3.3.1 Hydrodynamický pohon Hydrodynamické převodovky dosáhly největšího rozvoje v období 80. až 90. let minulého století, kdy zaznamenaly již určitý stupeň automatizace, který nebyl tolik závislý na řízení elektroniky. Další rozvoj byl dán vývojem mechanických převodů s rostoucím počtem stupňů řazených při zatížení. Znamenaly především jednodušší a účinnější přenos výkonu motoru. Hydrodynamická převodovka kombinuje spojení hydrodynamické spojky nebo hydrodynamického měniče a mechanické převodovky. Hydrodynamický měnič je uložen mezi motorem a mechanickou části převodovky. Konstrukčně se od hydrodynamické spojky odlišuje vloženým reaktorem mezi čerpadlové a turbínové kolo. Reaktor je pevně spojen se skříní měniče a představuje reakční člen, který umožňuje změnu velikosti přenášeného točivého momentu. Lopatky všech tří členů jsou zakřivené. Olej je uváděn do pohybu otáčením čerpadlového kola spojeného s klikovým hřídelem motoru. Olej protéká turbínovým kolem a reaktorem. Turbínové kolo je spojeno s výstupem do převodovky a z charakteristiky hydrodynamického měniče vyplývá, že s klesajícími otáčkami turbíny roste točivý moment turbíny. Nejvyšší točivý moment působí na turbínové kolo, pokud se zastaví. Tento stav odpovídá maximálnímu zatížení. Při vysokých otáčkách turbínového kola je výhodnější hydrodynamický měnič vyřadit z činnosti blokovací spojkou a vytvořit tak pevné spojení mezi 22
motorem a převodovými ústrojími. Nejvyšší účinnost se pohybuje mezi 80-85 %. (Bauer a kol., 2006) U hydrodynamického pohonu teleskopických manipulátorů energie a točivý moment z motoru přechází do hydrodynamického měniče, ve které se zvýší točivý moment a sníží otáčky motoru. Za hydrodynamickým měničem je napojena převodovka s rozvodovkou, odkud je pohon přenášen na přední, zadní nebo obě nápravy. Hydrodynamický měnič ve spojení s klasickou převodovkou s mechanickým řazením nebo s převodovkou řazenou pod zatížením zabezpečuje stroji vždy plynulý rozjezd po zvýšení otáček motoru. Reverzace chodu pod zatížením je nutnou samozřejmostí. Nejčastěji jsou používané převodovky čtyřstupňové, ale u některých typů manipulátorů se používají převodovky i pětistupňové. Na přání je možno vybavit převodovky některých typů manipulátorů i plazivými rychlostmi. Hydrodynamickému pohonu ovšem chybí samobrzdící efekt systému. Proto je třeba vybavovat manipulátory lepším brzdovým systémem. Používají se kapalinové brzdy. (Pospíšil, zemědělec 2008)
Obr. 14 Hydrodynamický měnič (wikipedia.org) 3.3.2 Hydrostatický pohon Převodovky umožňující plynulou změnu pojezdové rychlosti nejsou žádnou novinkou a u traktorů mají svoji historii, která sahá až do roku 1942 v podobě elektrického pohonu. Je známa celá řada možností řešení plynulé změny pojezdové rychlosti, např. 23
hydrostatickým převodníkem, elektrickým pohonem, řemenovým variátorem nebo diferenciální hydrostatickou převodovkou. Konstrukce vychází z výkonového dělení, při kterém je část výkonu vedena přes hydrostatickou a část přes mechanickou větev. Obě větve se slučují v jednoduchém planetovém soukolí nebo sumarizační hřídeli. Planetové soukolí může být umístěno na výstupu nebo na vstupu z převodovky. Hydraulickou část převodovky tvoří hydrostatický převodník plnící funkci transformátoru energie, přeměňující vstupní mechanickou energii na tlakovou (hydrogenerátory), která se poté transformuje na výstupní mechanickou energii (hydromotory) vstupující do slučovacího planetového převodu. Hydrostatický převodník je tvořen axiálním pístovým hydrogenerátorem, hydromotorem a řídícími regulačními prvky. Regulace hydrostatického převodníku je realizována řízenou změnou geometrického objemu naklápěním regulační desky nebo celého bloku s písty. Točivý moment je na písty přenášen prostřednictvím ojnic spojených s hnací přírubou. Tlak kapaliny je tvořen až při postupném naklápění bloku válců nebo opěrné desky. Geometrický objem je základním parametrem hydrostatického převodníku. Vyjadřuje objem kapaliny vytlačované generátorem na jednu otáčku. Výsledkem regulace je změna hydraulického převodového poměru a tím celkového převodového poměru. V mechanické části je převodový poměr konstantní nebo se případně mění podle rozsahu pojezdových rychlostí. Planetový převod tvoří mechanickou část a přispívá tak ke zvýšení celkové účinnosti přenosu točivého momentu. Může být složen z jednoho nebo několika jednoduchých planetových soukolí sériově řazených za sebou. Jedno z planetových soukolí umožňuje sloučení výkonových větví a plynule měnit úhlovou rychlost výstupního členu. Ostatní planetová soukolí jsou určena ke změně rychlostního rozsahu. Řazení jednotlivých členů soukolí probíhá zubovými spojkami, lamelovými spojkami nebo lamelovými brzdami. (Bauer a kol., 2006)
24
Hydrostatický pohon u teleskopických manipulátorů je čím dál žádanější a používanější typ pojezdu. Z toho lze odvodit, že výhody daleko převažují nad zápory.
Obr. 15 Hydrostatický pohon (ematech.sk)
1. Nápravy 2. Nádrž na olej 3. Kloubový hřídel 4. Hydromotor 5. Chladící systém 6. Spalovací motor 7. Hydrogenerátor 8. Tlakové hadice na olej
25
4 VLASTNÍ PRÁCE 4.1 Nasazení nakladačů v zemědělství 4.1.1 Nakladače a manipulátory Manipulace s materiálem je jedna z nejdůležitějších a nejčastějších operací v zemědělství. Ať už se jedná o nakládání, vyhrnování hnoje z chodeb v živočišné výrobě, uskladňování osiva buď ve velkoobjemových vacích či v pytlích na paletách nebo nakládání plodin. V minulosti byly nejvíce využívané čelní nakladače. V živočišné výrobě byl nejrozšířenější čelní nakladač UN 053.1, který měl pracovní zařízení s dvouramenným výložníkem na otočném kozlíku umožňující otočení až přes 90 °, pohon přední nápravy a zadní řiditelnou nápravu. Při operacích, při kterých bylo třeba větší síly, byl využíván čelní kloubový nakladač UNK 320.
Obr. 16 Čelní nakladač s otočným kozlíkem UN 053.1 (centrumstroju.cz)
26
Obr. 17 Čelní kloubový nakladač UNK 320 (zts-jh.cz) Manipulátory, tedy kolové nakladače s teleskopicky výsuvným ramenem a také s různými možnosti řízení náprav. Největší rozmach měli před 10 až 15 lety, kdy zemědělské podniky zjistily možnosti širokého využití. Díky jednoduché a rychlé demontáži a montáži různých adaptérů se zvyšuje výkonnost jak stroje, tak i obsluhy. Vzhledem k široké škále různých adaptérů a nářadí nahrazuje potřebu dalších strojů, poněvadž manipulátor např. s paletizačními vidlemi nahradí vysokozdvižný vozík. Čelní traktorové nakladače si našly oblibu hlavně u malých podniků soukromých zemědělců, kteří ve větší míře využívají traktory, ale jsou i situace, kdy je potřeba využít nakladač.
Obr. 18 Čelní traktorový nakladač (trac-lift.cz)
27
Smykem řízené nakladače jsou řízené nezávislým otáčením kol. Tyto nakladače mají taktéž své uplatnění v zemědělství a to pro svou velkou obratnost kvůli jejich malým rozměrům. Jejich výhoda spočívá i v nižší pořizovací ceně než u ostatních nakladačů. Nabízí nejrůznější příslušenství počínaje lopatou, přes zametací úhlové kartáče, až po bourací hydraulická kladiva.
Obr. 19 Nakladač s hydraulickým bouracím kladivem (bobcatofmadison.com)
4.1.2 Rostlinná a živočišná výroba Doprava a přemisťování nejrůznějších materiálů je nezbytná součást každého výrobního procesu v zemědělství či jakémkoliv jiném odvětví. Tímto procesem se sice zvyšují náklady a materiál se nijak neopracovává, přesto se ale bez tohoto kroku žádná výroba neobejde. V zemědělství se jedná zejména o rostlinnou a živočišnou výrobu. Při pořizování manipulátoru je nutné zvážit, k čemu se bude tento nakladač v největší míře používat a stanovit si tak kritéria, která musí splňovat pro správnou funkci daného procesu. Jiná kritéria budeme požadovat u manipulátoru pro živočišnou výrobu a jiné pro rostlinnou. 28
Manipulátory můžeme rozdělit do dvou skupin a to na kompaktní a univerzální manipulátory.
4.1.2.1 Živočišná výroba V živočišné výrobě se můžeme setkat se smykem řízeným nakladačem, kloubovým, ale nejčastěji s kompaktním manipulátorem. U kompaktních manipulátorů se jedná o výkony do 100 koňských sil, zvedací silou kolem dvou tun a zdvihem okolo čtyř metrů. Tyto parametry jsou pro živočišnou výrobu plně dostačující. Největším požadavkem kladeným na manipulátor v živočišné výrobě je dobrá manévrovatelnost a co nejmenší poloměr otáčení. Tento požadavek je důležitý z důvodu vyhrnování hnojných chodeb, které mohou být úzké. Dalším kritériem je návaznost jednotlivých operací. Díky rychloupínání je možné adaptér vyměnit během několika minut a během chvíle z vyhrnování chodeb může vykusovačem navážet siláž či senáž ke krmení. Vzhledem k velmi krátkým vzdálenostem, které nakladač absolvuje, není potřeba vysoká pojezdová rychlost. Největší nárok je kladen na hydrauliku, jelikož manipulátor je v živočišné výrobě používán téměř 10 hodin denně. Několikrát denně je to navážení krmiv do míchacích krmných vozů, dále vyhrnování hnojných chodeb a také navážení slámy na podestýlku. Jeho obratnost a možnost manipulace v malých prostorách se využívá i při skládání a uložení balíků. V živočišné výrobě najde uplatnění také univerzální manipulátor. Ten je součástí procesu senáží a siláží. Nakladač v živočišné výrobě najezdí ročně až 3000 Mth.
4.1.2.2 Rostlinná výroba V rostlinné výrobě se v největší míře používá univerzální manipulátor, který disponuje výkonem od 90 až do 150 koňských sil. Zdvih se pohybuje kolem sedmi metrů a nosnost může být i do pěti tun. Hmotnost tohoto stroje přesahuje 5000 kg. Podmínky na manipulátor působící v rostlinné výrobě jsou různé. Jedna z podmínek je zvedací síla a dosah, což jsou hodnoty rozhodující například při plnění secího stroje osivem uloženém ve vaku. Manipulátor musí vak zvednout do určité výšky, aby se dostal nad secí stroj a naplnit ho. Velká výhoda tohoto stroje spočívá v možnosti připojení vleku. Tím pádem odpadá mobilní prostředek, který by musel vlek dopravit na určité místo, což také šetří provozní náklady. Manipulátory dosahují podobných rychlostí jako 29
traktory, takže se výkonnost nesnižuje. Dalším příkladem může být nakládání hnoje, který je těžký a bočnice dnešních návěsů či vleků jsou vyšší než samotný traktor nebo nakladač, což zvyšuje náročnost na zvednutí naložené lopaty. Kvůli těmto situacím jsou na nakladačích montovány snímače, které zaznamenávají, kdy se náklad začne převažovat a hrozí převrhnutí manipulátoru. CEN schválila 25. července 2008 evropskou normu EN 15000. Podle této normy musí být stroje vybaveny blokačním systémem proti přetížení a následnému převrácení. V kabině řidiče se zobrazují jednotlivé stupně převážení přední části a díky tomu se zvyšuje bezpečnost při práci. Další operace, ve které teleskopický manipulátor také slouží, se vztahuje k podzimnímu období, ve kterém se hnůj odváží a rozmetá, je důležitá také velká průchodnost terénem. Pohon všech kol je tak nezbytnou součástí. Tato operace sice spadá do živočišné výroby, ale malý manipulátor by na ni výkonnostně nestačil. Podobné podmínky nastávají při sklizni cukrové řepy. U sklízení této plodiny se většinou tvoří skládka přímo na poli. Výhoda teleskopického ramene se může využívat při stohování slámy. Délka ramene umožní slámu nastohovat do různých výšek, v závislosti na délce vysunutí teleskopického ramene. Možnost dalšího využití je srovnávání lesních a polních cest, které jsou nezpevněné. Polní a lesní cesty jsou tvořené hliněným podkladem. Místa, kde se nacházejí vyježděné hluboké koleje, se vysypávají použitou rozdrcenou stavební sutí, kterou manipulátor zubovou lopatou rozhrne do roviny. Mimo sezónní práce může být manipulátor využitý v zimním období. Na rychloupínací rám se připne sněhová radlice a může pomáhat při odklízení sněhu. Využitelnost teleskopického manipulátoru je celoroční a díky univerzálnosti ho lze použít k nepřebernému množství operací. Kvůli této skutečnosti je kladen důraz na kvalitní zpracování, nízké opotřebení a dlouhou životnost. Motor teleskopického manipulátoru v rostlinné výrobě je schopen ročně najet až 1000 Mth. Oproti živočišné výrobě je to o poznání méně.
30
Obr. 20 Nakládání osiva do secího stroje
Obr. 21 Dopravování osiva manipulátorem
31
4.2 Porovnání jednotlivých typů pojezdů Ještě asi před 20-30 lety patřily mezi nejmodernější nakládací prostěrky, nakladače typu UN 053 či UNK 320, které zjednodušily a urychlily zemědělské činnosti. Vzhledem k rychlosti technického vývoje začaly být nedostačující, díky nižším zvedacím výškám, modernizaci jednotlivých součástí a komfortu pro obsluhu. Požadavky na nakládací výšku se zvyšují kvůli velkoobjemovým návěsům a přívěsům pro dopravu zemědělských produktů.
4.2.1 Hydrodynamický pohon Točivý moment motoru u hydrodynamického pohonu je přenášen do hydrodynamického měniče, kde se točivý moment zvýší a sníží otáčky. Za hydrodynamickým měničem je mechanická převodovka. Převodovka u hydrodynamického pohonu bývá nejčastěji čtyřstupňová řazená pod zatížením. Hydrodynamický pohon zajišťuje, že se stroj plynule rozjede, při zvýšení otáček motoru. Reverzace pohybu je samozřejmostí a je také řazena pod zatížením. Mezi výhody hydrodynamického pohonu patří „měkký“ chod, tzn. že tlumí přenášené rázy a kmity. Opotřebení pneumatik zmenšuje snižováním prokluzu kol při prudkém rozjíždění stroje. I když obsluha zařadí špatný rychlostní stupeň, nehrozí zhasnutí motoru. Nevýhodou jsou větší rozměry a hmotnost. To znemožňuje použití v menších prostorách. Manipulátor s hydrodynamickým pohonem není možné zajistit proti pohybu zařazením rychlostního stupně, což znamená, že musí mít výkonnější brzdový systém. Tento typ pohonu má i vyšší pořizovací náklady.
32
4.2.2 Hydrostatický pohon Hydrostatický pohon se skládá z axiálního pístového hydrogenerátoru s proměnlivým objemem a hydromotoru s konstantním nebo proměnným objemem zpravidla se dvoustupňovou převodovkou. Mechanický výkon spalovacího motoru je hydrogenerátorem přeměňován na výkon hydraulický. Hydraulický olej je přenášen hydraulickým vedením do hydromotoru, kde se hydraulický výkon mění zpátky na výkon mechanický. Výhodou hydrostatického typu je, že osa hydrogenerátoru a hydromotoru nemusí být stejná. Díky tomu jsou malé zastavěné rozměry. Další klad je v nízké hmotnosti. Nesporná výhoda je i ve snadné reverzaci pohybu, která je výhodná při časté změně smyslu pohybu. Za zmínku stojí i snadná údržba a provozní spolehlivost. Ekonomika provozu spočívá ve skutečnosti, že motor není nutné provozovat ve vysokých otáčkách a pojezdová rychlost není závislá na otáčkách motoru. Tzv. „samobrzdící efekt“ znamená, že při vypnutém motoru se celý systém zablokuje a nehrozí, že by se stroj mohl dát samovolně do pohybu při stání na nerovném povrchu. Hydrostatický pohon má citlivější a jednodušší ovládání. Nevýhodou tohoto pojezdu je nižší účinnost systému. Vyšší nároky jsou kladeny na kvalitu oleje.
Tab. 1 Porovnání kritérií hydrostatického a hydrodynamického pohonu
Hmotnost Údržba „Samobrzdící“ efekt Účinnost Zastavěný prostor Nárok na kvalitu oleje „Měkký“ chod
Hydrostatický pohon + + + -
+ výhoda - nevýhoda
33
Hydrodynamický pohon + + + +
5 ZÁVĚR Dnešní firmy, ať stavební, zemědělské nebo jiné se bez manipulačních prostředků neobejdou. Při výběru toho správného manipulátoru je nejdůležitější zvážit v jakém prostředí a za jakých podmínek bude nakladač pracovat. Od této skutečnosti se odvíjí kritéria, co musí tento nakladač splňovat. Těmito kritérii může být zvedací síla, nosnost a jiné parametry. Významná je i volba řešení pojezdů. U manipulátorů je nejčastěji pohon řešen hydraulickou cestou. Hydraulický pohon může být buď hydrodynamický nebo hydrostatický. Oba tyto systémy mají své klady i zápory. Každý systém má své přednosti za jiných podmínek. Hydrostatický pohon, u kompaktních teleskopických manipulátorů, se výhradně používá v živočišné výrobě. Je to hlavně kvůli menším rozměrům tohoto stroje, u něhož je šířka 1,8 m a výška nepřesahuje 2 m. Tyto nakladače nahrazují zastaralou a méně výkonnou techniku. Dalším důvodem je jednodušší ovladatelnost. Tento typ pojezdu, který je určen do živočišné výroby, nemusí mít převodovku, poněvadž se především používá na krátké vzdálenosti. Důvodem nevhodnosti využití na delší vzdálenosti je fakt, že tyto typy dosahují nižších pojezdových rychlostí. Hydrodynamický pohon, u univerzálních teleskopických manipulátorů, je vhodnější k využití v rostlinné výrobě, jelikož disponuje větší tažnou silou. Oproti hydrostatickému pohonu má hydrodynamický pohon vyšší účinnost a nižší spotřebu paliva. V rostlinné výrobě se manipulátory dopravují na delší vzdálenosti, proto jsou tyto pohony většinou ve spojení se čtyř nebo pěti stupňovou převodovkou řazenou pod zatížením. Mechanická převodovka umožňuje variabilitu rychlosti pojezdu stroje. V pracovním režimu stroje je naopak potřeba pomalá rychlost, proto lze manipulátory s tímto typem pohonu vybavit plazivými rychlostmi. Za zmínku stojí i vyšší životnost než u hydrostatického pohonu.
34
6 POUŽITÁ LITERATURA BAUER F., SEDLÁK P., ŠMERDA T., 2006 Traktory, profi press s.r.o., Praha, 192s. ISBN 80-86726-15-0 CEJLAK I., 2007, Výkonný univerzální čelní nakladač, Zemědělec, ročník XV, ISSN 1211-3816 CEJLAK I., 2008, Univerzální manipulační technika, Zemědělec, ročník XVI, ISSN 1211-3816 CEJLAK I., 2010, Teleskopické a smykem řízené nakladače, Zemědělec, ročník XVIII, ISSN 1211-3816 CEJLAK I., 2011, Teleskopický nakladač je univerzální, Zemědělec, ročník XIX, ISSN 1211-3816 CEJLAK I., TÝMA M., 2011, Nakladače v zemědělství, Zemědělec, ročník XIX, ISSN 1211-3816 CEJLAK I., 2013, Strojní zařízení potřebná k manipulaci, Zemědělec, ročník XXI, ISSN 1211-3816 Čelní nakladač UN-053.1, cit. [2013-04-02], dostupné na www.centrumstroju.cz Čelní a teleskopické nakladače, [cit. 2013-03-10], dostupné na www.agroweb.cz Evolution cab, cit. [2013-03-17], dostupné na www.de.manitou.com Humpolecké strojírny Humpolec a.s., cit. [2013-04-03], dostupné na www.trac-lift.cz JAVOREK F., 2009, Nabídka strojů odpovídá potřebě trhu, Zemědělec, ročník XVII, ISSN 1211-3816 JAVOREK F., 2011, Nepostradatelné zdroje v zemědělství, Zemědělec, ročník XIX, ISSN 1211-3816 JAVOREK F., 2012, Široká variabilita a velký výběr, Zemědělec, ročník XX, ISSN 1211-3816
35
Johndeere 3415, cit. [2013-03-16], dostupné na www.technikboerse.com MACHKOVÁ V., 30.10.2011, Nový kolový nakladač Volvo L180G, cit. [2013-03-17], dostupné na www.stavebni-technika.cz MAŠEK J., 2008, Volba mobilního čelního nakladače, Zemědělec, ročník XVI, ISSN 1211-3816 MLT 1035 LT LSU, [cit. 2013-03-17], dostupné na www.gunco.com MLT 625 T, cit. [2013-03-16], dostupné na www.moreauagri.cz Multifarmer, cit. [2013-03-19], dostupné na www.tmcihak.cz Ostatní příslušenství, cit. [2013-03-19], dostupné na www.moreauagri.cz Panoramic, cit. [2013-03-12], dostupné na www.ematech.sk POSPÍŠIL J., 2008, Manipulace a doprava, Zemědělec, ročník XVI, ISSN 1211-3816 POSPÍŠIL J., 2008, Význam teleskopických nakladačů, Zemědělec, ročník XVI, ISSN 1211-3816 POSPÍŠIL J., 2009, Nakládací prostředky a jejich význam, Zemědělec, ročník XVII, ISSN 1211-3816 POSPÍŠIL J., 2010, Technika pro specifickou operaci, Zemědělec, ročník XVIII, ISSN 1211-3816 Powerfarm (74 – 98,6 hp), cit. [2013-03-18], dostupné na www.moreauagri.cz Rentals, cit. [2013-04-04], dostupné na www.bobcatofmadison.com S 630, [cit. 2013-03-17], dostupné na www.bobcat.cz Smykem řízené nakladače „BOBEK“ cit. [2013-03-18], dostupné na www.loader.cz STEHNO L., 13.8.2003, Nakladače pro zemědělství – výhody a nedostatky [cit. 201303-15], dostupné na www.mechanizaceweb.cz STEHNO L., 2006, Manipulační technika v zemědělském provozu, Zemědělec, ročník XIV, ISSN 1211-3816 36
STEHNO L., 16.3.2006, Manipulační technika v zemědělském podniku cit. [2013-0416], dostupné na www.naschov.cz STEHNO L., 12.2.2009, Čelní traktorové nakladače, [cit. 2013-02-21], dostupné na www.mechanizaceweb.cz SÝROVÝ O. a kol., 2008 Doprava v zemědělství, profi press s.r.o., Praha, 248 s. ISBN 978-80-86726-30-4 UNK 320, cit. [2013-04-02], dostupné na www.zts-jh.cz Wikipedia, 2013, Autojeřáb, encyklopedie online cit. [2013-03-04], dostupné na cs.wikipedia.org Wikipedia, 2013, Harvestor, encyklopedie online cit. [2013-03-18], dostupné na cs.wikipedia.org Wikipedia, 2013, Hydrodynamický měnič, encyklopedie online cit. [2013-03-17], dostupné na cs.wikipedia.org Wikipedia, 2013, Věžový jeřáb, encyklopedie online cit. [2013-03-03], dostupné na cs.wikipedia.org
37
7 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Jeden z prvních teleskopických manipulátorů JCB ............................................... 9 Obr. 2 Moderní teleskopický manipulátor Manitou MLT 1035 ....................................... 9 Obr 3 Smykem řízený nakladač Bobcat ......................................................................... 13 Obr. 4 Kloubový nakladač Volvo ................................................................................... 14 Obr. 5 Čelní traktorový nakladač Landini ...................................................................... 15 Obr. 6 Teleskopický manipulátor s motorem uloženým vzadu ...................................... 16 Obr. 7 Teleskopický manipulátor s motorem uloženým na boční straně ....................... 17 Obr. 8 Kabina řidiče........................................................................................................ 18 Obr. 9 Vykusovač siláže ................................................................................................. 19 Obr. 10 Adaptér pro manipulaci s balíky v ochranné fólii ............................................. 19 Obr. 11 Teleskopický manipulátor Merlo s tříbodovým závěsem .................................. 20 Obr. 12 Možnosti řízení náprav ...................................................................................... 21 Obr. 13 Joystick pro ovládání hydraulických systémů a pojezdu................................... 22 Obr. 14 Hydrodynamický měnič .................................................................................... 23 Obr. 15 Hydrostatický pohon.......................................................................................... 25 Obr. 16 Čelní nakladač s otočným kozlíkem UN 053.1 ................................................. 26 Obr. 17 Čelní kloubový nakladač UNK 320................................................................... 27 Obr. 18 Čelní traktorový nakladač .................................................................................. 27 Obr. 19 Nakladač s hydraulickým bouracím kladivem .................................................. 28 Obr. 20 Nakládání osiva do secího stroje ....................................................................... 31 Obr. 21 Dopravování osiva manipulátorem .................................................................... 31
Tab. 1 Porovnání kritérií hydrostatického a hydrodynamického pohonu ....................... 33
38
