TECHNIKA ROLNICZA Wprowadzenie

Transkrypt

1 TECHNIKA ROLNICZA Wprowadzenie Mechanizacja a eksploatacja Mechanizacja to zastąpienie pracy ręcznej narzędziem lub maszyną przy wykonywaniu czynności procesu produkcyjnego. Według definicji mechanizacja stanowi przejście od procesów produkcyjnych prymitywnych do nowoczesnych, wysoko zautomatyzowanych. Eksploatacja to zbiór wszystkich prac związanych z użytkowaniem oraz z utrzymaniem i odnawianiem stanu technicznego ciągników, narzędzi i maszyn oraz urządzeń. 2 1

2 Cele mechanizacji ekonomicznie wymierne np. obniżenie jednostkowych kosztów produkcji i wzrost efektywności tej produkcji ekonomicznie niewymierne - poprawa komfortu pracy człowieka pozaekonomiczne rozwój intelektualny i społeczny 3 Technika rolnicza Technika rolnicza to uzasadniony agrotechnicznie i ekonomicznie sposób oddziaływani środkami technicznymi na przebieg produkcji rolniczej oraz przetwarzanie produktów rolniczych. Poza klasyczną mechanizacją obejmuje: analizę rzeczową sposobu stosowania i utrzymania w gotowości do pracy środków technicznych, analizę techniczną, organizacyjną i ekonomiczną wariantów wykorzystania tych środków. 4 2

3 Park maszynowy Park maszynowy to zespół środków trwałych podlegających amortyzacji, obejmujący maszyny i narzędzia rolnicze oraz mechaniczną i żywą siłę pociągową siłę pociągową. Elementy parku maszynowego: siła pociągowa, narzędzia i maszyny rolnicze, urządzenia techniczne. 5 Park maszynowy Siła pociągowa to suma energii zdolnej do pokonania oporów związanych z wykonywaniem pracy, zawarta w organizmach żywych oraz w urządzeniach mechanicznych. 1 koń = 1 jednostka pociągowa 1 jednostka pociągowa = 3,7 kw Obecnie w rolnictwie dominuje przede wszystkim mechaniczna siła pociągowa, której źródłem są: stacjonarne źródła energii, ruchome źródła energii. 6 3

4 Narzędzia i maszyny rolnicze Narzędzia rolnicze to środki techniczne o stosunkowo prostej budowie, z biernymi (nienapędzanymi) elementami roboczymi, realizujące proces roboczy poprzez ruch całego środka po polu. Maszyny rolnicze to środki techniczne z aktywnymi (napędzanymi) elementami roboczymi, realizujące proces roboczy nie tylko poprzez ruch całego środka po polu, ale przede wszystkim w wyniku ruchu aktywnych elementów roboczych. Źródła napędu elementów roboczych maszyn rolniczych: koło jezdne maszyny, wałek odbioru mocy ciągnika, silnik hydrauliczny, własny silnik maszyny. 7 Agregat ciągnikowy Agregat ciągnikowy to zestaw złożony z ciągnika i narzędzia lub maszyny roboczej, ewentualnie kilku takich maszyn bądź narzędzi. 8 4

5 Zaczepy ciągnika 1 zaczep transportowy 2 łącznik górny 3 lewy wieszak podnośnika 4 lewe ramię podnośnika 5 lewy stabilizator 6 korbka regulacyjna wieszaka prawego 7 zastrzał ramienia prawego 8 belka polowa 9 dolny zaczep polowy 10 osłona końcówki WOM 9 Sposoby łączenia maszyn i narzędzi z ciągnikiem narzędzia i maszyny zawieszane połączone z ciągnikiem za pomocą trzypunktowego układu zawieszenia (podnośnika hydraulicznego), którym regulowana jest wysokość ich położenia względem ciągnika w położeniu transportowym układ jezdny ciągnika obciążony jest całym ciężarem zawieszonego narzędzia lub maszyny 10 5

6 Przednie zawieszenie narzędzi 11 Sposoby łączenia maszyn i narzędzi z ciągnikiem narzędzia i maszyny przyczepiane połączone z ciągnikiem za pomocą stałego zaczepu, umieszczonego na stałej wysokości - zarówno podczas pracy jak i transportu całym swym ciężarem obciążają własny układ jezdny narzędzia i maszyny półzawieszane mogą być połączone z ciągnikiem za pomocą podnośnika hydraulicznego lub zaczepu stałego zarówno w położeniu roboczym jak i transportowym swoim ciężarem częściowo obciążają własny układ jezdny, a częściowo układ jezdny ciągnika 12 6

7 Sposoby łączenia maszyn i narzędzi z ciągnikiem narzędzia i maszyny nabudowane posiadają zespoły nośne sztywno związane z ciągnikiem, których zmiana położenia wymaga częściowego demontażu lub zastosowania dodatkowych urządzeń mechanicznych i siłowników hydraulicznych 13 Charakterystyczne warunki pracy w rolnictwie produkcja rolnicza odbywa się na znacznej przestrzeni i jest rozproszona w rolnictwie głównym środkiem produkcji (przedmiotem pracy) jest gleba, przy uprawie której wymagane jest ciągłe przemieszczanie urządzeń technicznych po polu procesy technologiczne nie mogą być dowolnie rozmieszczone w czasie, natomiast muszą być wykonane w ściśle określonych terminach agrotechnicznych przedmiotem pracy maszyn i narzędzi pracujących w glebie, przetwarzających rośliny oraz pomocnych przy obsłudze zwierząt jest żywy organizm, którego stan ciągle się zmienia zgodnie z prawami biologii 14 7

8 Czynniki decydujące o wielkości parku maszynowego wielkość gospodarstwa na małych areałach maszyny o mniejszej szerokości roboczej i niższej wydajności pracy, zaś na areałach większych maszyny odpowiednio większe i bardziej wydajne specjalizacja produkcji nadając kierunek gospodarowania ogranicza asortyment wytwarzanych produktów, a zatem ogranicza różnorodność strukturalną parku maszynowego organizacja prac maszynowych nowoczesne maszyny muszą mieć właściwie dobrane źródło energetyczne co gwarantuje ich optymalne wykorzystane w nowoczesnych technologiach produkcji i pracy 15 Zasady organizacji prac maszynowych 1. maszyny i narzędzia powinny być możliwie najlepiej przystosowane do warunków w jakich będą pracować 2. maszyny i narzędzia powinny być dostosowane do mocy silników urządzeń energetycznych, za pomocą których będą przemieszczane i napędzane 3. wszystkie maszyny i narzędzia wchodzące w skład danego zestawu powinny mieć zunifikowane parametry techniczne 4. liczba maszyn przy określonych zasobach siły pociągowej powinna zapewnić terminowe wykonanie wszystkich prac 5. wprowadzenie każdej nowej maszyny powinno być poparte rachunkiem opłacalności jej stosowania w gospodarstwie 16 8

9 TECHNIKA ROLNICZA Ciągnik rolniczy Produkcja seryjna ciągników (USA) - WOM ŚWIAT Maszyna parowa (Watt) Lokomobila (napęd młocarni) Pług parowy napędzany lokomobilą Silnik benzynowy (Otto) Prototyp ciągnika z silnikiem benzynowym Silnik wysokoprężny (Diesel) - koła pneumatyczne - podnośnik hydrauliczny POLSKA Prototyp ciągnika Seryjna produkcja ciągnika C-45 9

10 Układ przeniesienia napędu ciągnika rolniczego KOŁO JEZDNE Z SILNIK S W M SB R PG MR S - sprzęgło WM - wzmacniacz momentu w ciągnikach dużej mocy SB - skrzynia biegów R - reduktor PG - przekładnia główna MR - mechanizm różnicowy Z - zwolnica WOM Z KOŁO JEZDNE 19 Parametry techniczne ciągników Ciągniki rolnicze są głównym źródłem mechanicznej siły pociągowej. Parametrami technicznymi, które je charakteryzują są: moc silników, siła uciągu. Moc podawana jest w kw (1 kw = 1,36 KM) jako tzw. moc nominalna silnika. Moc użyteczna stanowi ok % mocy nominalnej i jest zużywana na uciąg narzędzi lub maszyn współpracujących z ciągnikiem, a w przypadku tych ostatnich również na napęd ich elementów roboczych

11 Siła a moc F = m a W = F s F - siła [N] m - masa [kg] a - przyspieszenie [m s -2 ] W - praca [J] s - przesunięcie [m] P= W t P = F v P - moc [W] t - czas [s] v - prędkość [m s -1 ] 21 Przekładnia zębata 22 11

12 gdzie: n n Przełożenie 2 1 i = = = i 1 i D D 2 Z Z i przełożenie n 1 prędkość obrotowa wałka napędzającego n 2 prędkość obrotowa wałka napędzanego D 1 średnica koła napędowego D 2 średnica koła napędzanego Z 1 liczba zębów koła napędowego Z 2 liczba zębów koła napędzanego = i2... in 23 Podział ciągników KLASA NOMINALNA WYMAGANA MOC UWAGI SIŁA UCIĄGU [kn] 1 do 1 SILNIKA [kw] 2,6 3,3 5,2 5,9 2 2 min ,2 14,7 - jednokołowy - jednoosiowy ,7 30,0 URSUS 2812, URSUS ,0 44,0 URSUS 4512, URSUS ,0 73,5 URSUS 912, URSUS ,0 110,0 URSUS 1222, URSUS ,0 147,0 URSUS ,0 200, ,0 257,

13 Podział ciągników CIĄGNIKI ROLNICZE JEDNOOSIOWE KOŁOWE GĄSIENICOWE DWUOSIOWE Napęd na 2-koła (2WD) Napęd na 4-koła (4 WD) 25 Ciągniki z napędem na 2 i 4 koła 26 13

14 Ciągniki z napędem na 4 koła 27 Ciągniki gąsienicowe 28 14

15 29 Mechanizm jezdny w skład kołowego mechanizmu jezdnego klasycznego (z napędem na 2 koła) ciągnika wchodzą koła jezdne napędzane i nienapędzane elastycznym elementem koła jest opona wraz z dętką opona przenosi siłę napędową z obręczy na podłoże część zewnętrzna opony, bezpośrednio współpracująca z podłożem, nazywa się bieżnikiem, który w oponach ciągnikowych wypełnia tylko 30-50% powierzchni (w samochodowych 80-90%) aby uzyskać dużą siłę na kole, bieżnik opon ciągnikowych ma kształt ukośnych ostróg, które zagłębiają się w podłoże 30 15

16 Koła bliźniacze 31 Silnik spalinowy maszyna cieplna urządzenie, w którym następują przemiany cieplne silnik cieplny maszyna cieplna, w której następuje zamiana ciepła na pracę mechaniczną W zależności od sposobu zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną silniki spalinowe dzielimy na: strumieniowe (rakietowe, odrzutowe), turbinowe, tłokowe. 16

17 Silnik spalinowy Cykle pracy silnika spalinowego napełnianie cylindra świeżym ładunkiem dolot ładunku sprężanie dostarczonego ładunku i jego zapłon sprężanie pracę tłoka wywołaną spalaniem ładunku praca usunięcie gazów spalinowych wylot spalin dwusuwowe pełny obieg pracy silnika realizowany jest w trakcie dwóch suwów tłoka, tj. jednego obrotu wału korbowego czterosuwowe pełny obieg pracy silnika realizowany jest w trakcie czterech suwów tłoka, tj. dwóch obrotów wału korbowego 17

18 PARAMETR JEDN. RODZAJ ZAPŁONU Cykle pracy silnika czterosuwowego Ciśnienie - sprężania MPa 1,0 1,2 3,5 4,0 - maksymalne 3,0 4,0 7,5 9,0 Temperatura - koniec suwu sprężania O C maksymalna Jednostkowe zużycie paliwa g/kwh ZI ZS Stopień sprężania silnika tłokowego D V s k V s V s = π D 4 2 s r ε = V c Vs + V = V V k k k 18

19 Pochodne ropy naftowej Benzyna - gęstość 0,70 0,75 g/cm 3 - temperatura destylacji <200 o C Parafina Oleje silnikowe Nafta Olej napędowy - gęstość 0,80 0,88 g/cm 3 - temperatura destylacji o C Olej opałowy Skład chemiczny paliw silnikowych Lp. RODZAJ PALIWA MASOWY SKŁAD PALIWA [%] WARTOŚĆ OPAŁOWA [MJ kg -1 ] C H 2 S O 2 1 Benzyna Olej napędowy 86 13,5 0, Alkohol etylowy

20 Warunki spalania paliw silnikowych C + O 2 = CO 2 w następstwie całkowitego spalenia 1 gramoatomu węgla powstają 44g dwutlenku węgla i uzyskuje się 408 kj energii 2C + O 2 = 2CO w następstwie niecałkowitego spalenia 1 gramoatomu węgla powstaje 28g tlenku węgla i uzyskuje się 124 kj energii H 2 + O = H 2 O w następstwie spalenia gramocząsteczki wodoru powstaje 18g pary wodnej i uzyskuje się 286 kj energii Efekty spalania oleju napędowego olej napędowy 1 kg POWIETRZE 14,7 kg Q C = 0,860 * 1/12 * 408 = 29,2 MJ Q H2 = 0,135 * 1/2 * 286 = 19,3 MJ 42 MJ 20

21 Bilans cieplny silnika spalinowego Bilans cieplny silnika spalinowego Silnik o zapłonie samoczynnym 4CT90 Lublin 3 Źródło: J. Walentynowicz, 2006; WAT Q e - użyteczne Q ch - chłodzenie Q w - spaliny Q r - reszta 21

22 Bilans cieplny silnika spalinowego Rodzaj silnika Q e Q ch Q w + Q n Q r ZI 24 32% 32 30% 36 40% 8% ZS 32 38% 28 25% 30 27% 10% Silnik SI wysokie zużycie paliwa niska emisja Silnik ZS niskie zużycie paliwa wysoka emisja Q e - użyteczne Q ch - chłodzenie Q w spaliny Q w - spalania Q r - reszta Od 2010 roku emisja zanieczyszczeń w dymie z papierosów jest wyższa niż ze spalinami silników spalinowych!!! Zarządzanie mocą silnika 22

23 Moc teoretyczna a moc efektywna P t P Ge qi = 3,6 = e P t η Q P t - moc teoretyczna [kw] G e - godzinowe zużycie paliwa [kg h -1 ] q i - wartość opałowa paliwa [MJ kg -1 ] M s P e g e 60 65% n nom M s P e g e A D C B Charakterystyka regulatorowa silnika spalinowego M s - moment silnika [kn m] P e - moc efektywna ciągnika [kw] G e - jednostkowe zużycie paliwa [g kwh -1 ] n s - obroty wału korbowego [1 min -1 ] E n s 23

24 Prędkość obrotowa a moment obrotowy przemiany energetyczne w silniku wymuszają ciągły przepływ płynnych mediów (mieszanki i gazów spalinowych), które powodują opory rosnące w funkcji kwadratowej wraz ze wzrostem prędkości przepływu, wzrost prędkości obrotowej powoduje zwiększenie liczby cykli pracy silnika w jednostce czasu, co przy wyższych zakresach obrotów ma wpływ na zmniejszenie nacisków jednostkowych wywieranych na powierzchnię tłoka, w konsekwencji do pewnego zakresu pracy (około 60-65% obrotów nominalnych) wzrost obrotów nie powoduje wzrostu momentu obrotowego. 47 Moment obrotowy a moc P e M s n = 9549,3 gdzie: P e moc efektywna [kw] M s moment obrotowy silnika [Nm] n s prędkość obrotowa wału korbowego [obr./min.] s 48 24

25 Zakres automatycznej regulacji Zarządzanie za pomocą komputera pokładowego: kontrola obciążenia układ sterujący podnośnikiem umożliwiający dokładne kopiowanie terenu i regulację ustawienia głębokości roboczej zintegrowany system obsługi kontrola obrotów silnika, kontrola poślizgu kół ciągnika, kontrola sterowania hydrauliką, kontrola ilości zużytego paliwa - przełączanie pomiędzy nastawnymi prędkościami obrotowymi silnika zależny napęd WOM dokładne dostosowanie prędkości WOM do prędkości jazdy systemy kontroli maszyn współpracujących przyczepianych i półzawieszanych 49 Zarządzanie mocą silnika Umożliwia optymalne dostosowanie ilości zużywanego paliwa w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia silnika. 25

26 Wtrysk Common Rail Układ wtrysku paliwa Common Rail elektroniczny system sterowania silnikiem ponad 100 razy na sekundę diagnozuje ilość potrzebnego silnikowi paliwa. Paliwo może być podawane maksymalnie w 5-ciu etapach, co zapewnia optymalną sprawność silnika i ogranicza emisję spalin. Istnieje możliwość ustawienia niskich obrotów biegu jałowego, co ogranicza zużycie paliwa i zmniejsza hałas. Możliwe jest ustawienie stałej prędkości jazdy lub stałej prędkości obrotowej wału korbowego, co zwiększa wydajność agregatu. Rezerwa mocy Rezerwa mocy - silnik dostarcza maksymalną moc przy niższych obrotach niż znamionowa prędkość obrotowa. Dla silnika z układem wtryskowym CR znamionowa prędkość obrotowa wynosi 2200 obr./min., natomiast moc maksymalna osiągana jest przy 2000 obr./min. Rezerwa mocy wynosi w przybliżeniu 3-4 KM. Korzyści: Większa oszczędność paliwa Redukcja poziomu hałasu Rzadsza redukcja biegów Zwiększona wydajność 26

27 Rezerwa momentu obrotowego Rezerwa momentu obrotowego (R) - od znamionowej prędkości obrotowej do prędkości, przy której uzyskiwany jest maksymalny moment obrotowy. Silniki najczęściej osiągają maksymalny moment obrotowy przy 1500 obr./min. Zintegrowany system obsługi utrzymuje stały moment obrotowy, aż do prędkości 1000 obr./min. Wysoki moment przy niskich obrotach (P) umożliwia płynny rozruch ciągnika podczas pracy w trybie WOM i ruszanie przy dużych obciążeniach. Zużycie paliwa Zintegrowany system obsługi umożliwia obniżenie maksymalnych obrotów silnika o 400 obr./min. (z 2200 do 1800). Zużycie paliwa spada o 10% i jednocześnie o 20% spada średnia prędkość tłoków, co wydłuża czas eksploatacji silnika o 20%. Niższe obroty silnika powodują zmniejszenie hałasu silnika o kilka decybeli, co wpływa na komfort jazdy. 27

28 Przekładnia bezstopniowa Kierowanie automatyczne Oszczędność paliwa, czasu i środków chemicznych, dzięki eliminacji nakładania się sąsiednich pasów przejazdowych Dokładne wykonywanie prac, nawet w warunkach ograniczonej widoczności Zmniejszenie uczucia zmęczenia operatora i zapewnienie stałego poziomu wydajności Zmniejszenie zużycia środków chemicznych i nasion - ograniczenie nakładania się przejazdów i unikanie omijaków Powtarzalność wykonywania zabiegów i zmniejszenie ugniatania gleby Lepsza koncentracja operatora na pracy urządzeń i wykonywanych czynnościach Przyspieszenie wykonywania czynności Efektywne wykorzystywanie zalet ciągnika Eliminacja konieczności stosowania znaczników 28

29 Bilans mocy ciągnika P + P + P + e = Pm + Pδ + Pf + Pβ a u P p P e P m P δ P f P β P a P u P p - moc efektywna silnika [kw] - moc tracona w przekładniach ciągnika [kw] - moc tracona na poślizg kół ciągnika [kw] - moc tracona na opory toczenia kół ciągnika [kw] - moc tracona na pokonanie wzniesienia [kw] - moc tracona na przyspieszenie agregatu [kw] - moc uciągu [kw] - moc zużywana na napęd maszyny od WOM [kw] 57 Moc użyteczna a sprawność ogólna η o = P P uż e P uż = P u + P p - dla ciągnika z napędem na 2 koła ηo = 0,6 - dla ciągnika z napędem na 4 koła ηo = 0,8 - dla ciągnika gąsienicowego ηo = 0,

30 Rozkład sił i oporów M k G c F ux F uy F u F f1 F k F f2 Y p Y k 59 Opory pracy ciągnika rolniczego dla pługa F rx = k a b dla pozostałych narzędzi i maszyn polowych F = k b rx i dla środków transportowych F rx = f G F rx - składowa pozioma całkowitego oporu roboczego [kn], k - opór jednostkowy gleby podczas orki [kn/m 2 ], k i - opór jednostkowy narzędzia lub maszyny [kn/m], f - współczynnik oporu toczenia [], a - głębokość robocza [m], b - szerokość robocza [m], G - ciężar całkowity środka transportowego [kn]

31 Opory pracy ciągnika rolniczego siła uciągu moc uciągu moc efektywna F P u P = 1,1 u F rx e Fu v = 3,6 Pu = η o 61 Bilans mocy ciągnika P e [%] Straty w przekładniach Opory toczenia Poślizg 40 Moc uciągu v [m/s] 62 31

32 Prędkość robocza a wydajność W t = 0, 1 b v gdzie: W t wydajność [ha/h] b szerokość robocza [m] v prędkość robocza [km/h] 63 Zasady zestawiania agregatów maszynowych zastosowany w agregacie ciągnik musi zapewnić prawidłowe sprzęgnięcie go z maszyną i umożliwić napęd jej zespołów roboczych zgodnie z zasadą działania maszyny, przy jednocześnie optymalnym doborze prędkości roboczej i parametrów roboczych maszyny, zgodnych z zasadami agrotechniki najkorzystniejsze warunki pracy agregatu występują wówczas, gdy obciążenie silnika wynosi 80 90% jego mocy nominalnej w pracach uprawowych dopuszczalna wartość poślizgu powinna wynosić ok. 15%, zaś przy pozostałych pracach agrotechnicznych 5 10% 64 32

33 Zasady zestawiania agregatów maszynowych W praktyce możliwości zestawiania agregatów maszynowych są ograniczone rodzajem środków technicznych znajdujących się na wyposażeniu gospodarstwa. Dlatego należy pamiętać, że: 1. zastosowanie ciągnika o zbyt małej mocy i sile uciągu utrudni wykonanie pracy oraz znacznie zmniejszy wydajność pracy, 2. zastosowanie zbyt dużego ciągnika prowadzi do nadmiernego zużycia paliwa i znacznego wzrostu kosztów wykonania pracy, przy jednocześnie zwiększonym stopniu ugniecenia gleby