Ekspertyza

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE
Ekspertyza
Kierunki badań i najnowsze trendy
rozwojowe w konstrukcji
ciągników rolniczych
prof. dr hab. inż. Bogusław Cieślikowski
Katedra Inżynierii Mechanicznej i Agrofizyki
Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
Kraków 2011
Publikacja dostępna w serwisie: www.agengpol.pl
Spis treści
1.
Wstęp.............................................................................................................................................. 3
2.
Tendencje rozwojowe silników stosowanych w ciągnikach rolniczych ................................ 5
3.
Rozwój układów przeniesienia napędu w ciągniku rolniczym ............................................. 15
4.
Magistrale informatyczne w ciągnikach rolniczych ................................................................ 22
5.
Zagadnienia ergonomiczne współczesnych kabin ciągników rolniczych ........................... 28
6.
Modyfikacje układu zawieszenia przedniego mostu ciągnika kołowego oraz układu
jezdnego ciągnika gąsienicowego ........................................................................................... 31
7.
Układ hydrauliki siłowej ciągnika – modyfikacje tuz oraz wom ............................................ 35
8.
Podsumowanie ............................................................................................................................ 38
9.
Literatura ...................................................................................................................................... 39
10. Materiały informacyjne ............................................................................................................... 41
11. Materiały informacyjne producentów ciągników .................................................................... 41
2
1.
Wstęp
Analiza trendów rozwojowych ciągników rolniczych obejmuje zagadnienia technicznokonstrukcyjne obrazujące poziom techniczny oraz cechy funkcjonalno-eksploatacyjne
składające się na jakość eksploatacyjną ciągnika. Nie bez znaczenia jest również poziom
technologiczny i jakość wykonania. Rozwój techniczno-konstrukcyjny zostaje ukierunkowany
na uzyskanie najwyższego poziomu parametrów systemu technicznego, spełniających
wymagania sformułowane przez użytkowników, wymuszające cechy nowoczesności
ciągnika. Symptomy rozwoju ciągników rolniczych scharakteryzować można za pomocą
parametrów ilościowych oraz jakościowych opisujących zarówno ciągnik rolniczy jako całość,
jak też poszczególne jego zespoły. Do opisu cech techniczno-konstrukcyjnych można
wykorzystać dane techniczne podawane przez producenta. Bardziej obszernym zbiorem
cech są testy ciągników rolniczych, które przeprowadzane są w porównywalnych warunkach
przez niezależne zespoły ekspertów. W odniesieniu do systemów technicznych
nowoczesność można zdefiniować jako wysoki stopień spełnienia wymagań wynikających z
potrzeb branży przy uwzględnieniu najnowszych osiągnięć i doświadczeń w procesach
projektowania, konstruowania, produkcji i eksploatacji [Francik 2009]. Dobór ciągnika nie
musi być wyznaczony wektorem innowacyjności rozwiązań w obrębie wszystkich układów
funkcjonalnych, co potwierdzone jest ofertą różnorodnych modeli ciągników w obrębie
wybranego producenta. Potencjalny nabywca współczesnego ciągnika rolniczego powinien
posiadać wiedzę w zakresie najnowszych trendów rozwojowych ciągników, co znacząco
może ułatwić podjęcie trafnej decyzji zakupowej. Istotne są również zagadnienia obsługi
serwisowej mające swe uzasadnienie w stopniu złożoności współczesnego ciągnika
rolniczego. Nieliczne publikacje naukowe w tym zakresie analizują np. funkcjonowanie
systemu logistycznego dystrybucji części zamiennych w obrębie krajowego serwisu DEERE
& Company ciągników JOHN DEERE [Juściński, Piekarski 2009]. Wyniki badań opracowano
metodą statystyczną wyznaczając wartość indeksów sezonowych. Cenną informacją z
punktu widzenia użytkownika ciągnika tej firmy jest dokonana analiza napraw
pogwarancyjnych na przestrzeni kolejnych miesięcy w latach 2003-05 w aspekcie terminów
zabiegów agrotechnicznych zalecanych dla upraw krajowych. Publikowane analizy popytu na
usługi naprawcze ciągników na rynkach światowych wskazują na specyfikę zaplecza
technicznego generując zjawiska typowe dla tego segmentu [Bowersox 2009].
Producenci stosują praktyki różnorodnego nazewnictwa i symboliki rozwiązań
konstrukcyjnych w obrębie podzespołów ciągnika wraz z różnorodnością podstaw
parametryzacji układów. Często stosowaną praktyką w ocenie modelu ciągnika jest
odniesienie mocy silnika do ciężaru całkowitego lub generowanej siły uciągu w określonych
warunkach. Producenci ciągników prezentują w ofertach zazwyczaj dane bez odniesień do
metod normowych pomiaru mocy silnika. W przypadku normy ECE R24 uzyskujemy
nadwyżkę wartości katalogowej w stosunku do rzeczywistej nawet do 5%, gdyż nie
uwzględnia się w badaniach hamownianych osprzętu podstawowego silnika. Normy ISO
TR14396 i ECER120 stanowią najbardziej rozpowszechniony sposób oceny mocy
użytecznej silnika, jednak bez uwzględnienia mocy traconej na napęd wentylatora.
Zawężeniem wymogów normy europejskiej EWG 80/1269 jest dawna norma DIN 70020
dająca podstawy do ustalania mocy netto silnika z instalacjami peryferyjnymi wraz z
odniesieniami do poziomu emisji spalin. Znacznie korzystniej prezentują się parametry
silnika wg normy SAE, która uwzględniała jedynie napęd podstawowych układów silnika
zapewniających jego funkcjonowanie. W przypadku gdy interesuje nas moc użyteczna z
uwzględnieniem sprawności układu przeniesienia napędu należy posługiwać się wartością
podawaną na WOM.
Cechą współcześnie oferowanych ciągników jest różnorodność wyposażenia.
Współczesne ciągniki firmy VALTRA serii N produkowane są w systemie „a la Carte” z
możliwością uwzględnienia ponad pół miliona kombinacji parametrów technicznych i opcji
wyposażenia dostosowanych do indywidualnego zamówienia klienta. Od dwudziestu lat
firma ta występująca pod wcześniejszą nazwą VALMET, wprowadziła możliwość wyboru
wersji kolorystycznej ciągnika, co odbiega również od obecnie ugruntowanych zasad w tej
3
dziedzinie, gdyż firmy produkujące ciągniki chcą być rozpoznawane przez swój standard
kolorystyczny.
Klasyczny ciągnik rolniczy doczekał się ugruntowanej postaci konstrukcyjnej wyrażającej
jego bryłę, dostosowaną do realizacji prac polowych z udziałem maszyn i narzędzi oraz do
wykonywania prac transportowych. Wymogi ogólne mają swoje podłoże w ustalonych
kryteriach ergonomicznych, trakcyjnych i bezpieczeństwa pracy. Wszelkie modyfikacje
układów funkcjonalnych ciągników warunkowane są spełnieniem wymogu ich implementacji
w obrysie bryły nadwozia. Podjęte prace nad alternatywnym zasilaniem ciągnika gazem
CNG i LPG napotykają na główną przeszkodę zainstalowania pokaźnych rozmiarów butli
gazowych, które stanowią zawsze kolizję z nadzorem stref roboczych prowadząc zwykle do
obudowania kabiny. Zasilanie gazowe ciągników rolniczych w systemie CNG i LPG ma już
kilkudziesięcioletnią tradycję. W 1986 r. szwajcarska firma FAT-Tanikon podjęła próbę
wprowadzenia prototypowych instalacji zasilania biogazem i gazem ziemnym ciągników FIAT
i DEUTZ. Równocześnie wdrożono rosyjską koncepcję zasilania CNG ciężkich ciągników
Kirowiec modyfikując ówczesne silniki Diesla. W Polsce IBMER wspólnie z Ośrodkiem
Rozwoju Wyrobów ZPC Ursus zaprezentował na targach Polagra’93 dwa ciągniki Ursus
4512, z których jeden został przystosowany do zasilania LPG a drugi do CNG. Modyfikacja
silników z zapłonem samoczynnym pozwoliła na wprowadzenie jednopaliwowego układu
zasilania wyposażonego w zapłon iskrowy opracowany w firmie NGV Autogaz. W wyniku
późniejszych prac nad wprowadzeniem katalizatora spalin zastąpiono układ zapłonowy
nowym sterownikiem Gastronic CPU-06 i CPU-RSM-6a. Wprowadzono również instalacje
prototypowe CNG w dwóch ciągnikach Ursus 2812 przeznaczonych do transportu
wewnętrznego w zakładach Fiat Auto Poland S.A. a także w jednym ciągniku testowanym w
zakładach ZPC URSUS. Wykorzystanie ciągników zasilanych CNG jest natomiast
standardem w zakresie transportu wewnętrznego przy holowaniu przyczep
niskopodwoziowych jak np. na hali tłoczni karoseryjnej. Zdecydowanie łatwiej jest wyposażyć
samochód małolitrażowy w instalacje CNG niż ciągnik rolniczy, czego przykładem jest FIAT
Panda (seryjne wydanie fabryczne).
Modyfikacja klasycznego układu napędowego ciągnika warunkowana jest rozwojem
elektrycznych układów zasilania zagregatowanych maszyn oraz wyposażenia ciągnika.
Przykładem takiego rozwiązania jest ciągnik JOHN DEERE 7430 i 7530 Premium z
napędem elektrycznym klimatyzacji oraz wentylatora chłodnicy. Wprowadzono system
odzysku energii kinetycznej i potencjalnej spalin z zamianą na energię elektryczną w
układzie Electric Turbo Compounding tworząc magistralę elektryczną DC Vehicle Power Bus
do zasilania elektrycznego zagregatowanych maszyn. Współdziałanie generatora
T. Compounding z generatorem zintegrowanym z kołem zamachowym silnika (Motor
Generator) pozwala na wyeliminowanie napędu maszyn metodą klasyczną przez WOM.
Pojawia się jednak pewien problem lokalizacji układu T. Compounding w strefie zewnętrznej
narożnika kabiny operatora.
Od kilku lat podejmowane są prace z zakresu wykorzystania ogniw paliwowych do
zasilania elektrycznego układu napędowego ciągnika. Należy przy tym zauważyć, iż
nastąpiła „podmiana” elementów układu napędowego bez naruszenia bryły nadwozia. Firma
NEW HOLLAND zaprezentowała pierwszy na świecie ciągnik serii NH2 o mocy 78 kW
wyposażony w ogniwa paliwowe. Miejsce klasycznego zbiornika paliwa zajął zbiornik
wodoru, natomiast ogniwa paliwowe wypełniły przestrzeń przeznaczoną dla silnika
spalinowego. Silnik elektryczny wraz z uproszczoną przekładnią zlokalizowano w miejscu
tradycyjnej skrzyni biegów. Pokaźnych rozmiarów filtr powietrza umieszczono w strefie
zespołu chłodnic silnika spalinowego. W przeciwieństwie do stosowania w przeszłości
systemów zasilania Fuel Cell, ciągnik NH2 jest przykładem systemu Full Power
charakteryzujący się brakiem tradycyjnych akumulatorów służących do gromadzenia energii
elektrycznej.
4
2.
Tendencje rozwojowe silników stosowanych w ciągnikach rolniczych
Kierunki innowacyjnych rozwiązań silników z zapłonem samoczynnym (ZS) wyznaczone
są zarówno wymogami obowiązujących norm toksyczności spalin (Stage IIIB, EURO3 i
EURO4) jak również potrzebą uzyskania wysokich parametrów energetycznych. Występuje
równoczesna modyfikacja silników ze względu na stosowanie dodatków biopaliwowych
FAME do oleju napędowego (ON), z możliwością zasilania niektórych silników czystym
olejem roślinnym (OR). Optymalizacja procesu spalania ładunku homogenicznego przy
wieloetapowym wtrysku paliwa z udziałem biokomponentów w systemie Common Rail
wyznacza główne kierunki prac badawczych w zakresie rozwoju silników stosowanych w
ciągnikach rolniczych. Symptomami tych modyfikacji są działania konstrukcyjne pozwalające
zachować zgodność homologacyjną z limitami emisji toksycznych składników spalin,
głównie: CO, CH, NOx oraz cząstek stałych (PM). Zaznacza się upowszechnienie układów
oddziałujących na spaliny silnika (Exhaust Aftertratment) takich jak recyrkulacja spalin EGR
(Exhaust Gas Recirculation), konwerterów katalitycznych (katalizatorów) dla dopalania
węglowodorów i tlenku węgla a także stosowanie filtrów cząstek stałych DPF (Diesel
Particulate Filter). Niektórzy producenci (VALTRA) wprowadzają również układy SCR
(Selective Catalytic Reduction) z wykorzystaniem reduktora AdBlue lub DEF (Diesel Exhaust
Fluid) dla obniżenia poziomu NOx. Dla osiągnięcia tych celów stosowane są obecnie silniki z
ZS wyłącznie z bezpośrednim wtryskiem paliwa DI (Direct Injection) o mocach do 500 kW
wraz z systemem korekcyjnym przebiegu charakterystyki zewnętrznej, zapewniając wysoki
moment obrotowy w całym zakresie obciążeń trakcyjnych. Kształtowanie tej charakterystyki
możliwe jest poprzez elektroniczne sterowanie wielkości dawki paliwa w podziale na kilka
etapów wtrysku przy optymalizacji czasowej procesu. Konfiguracja dawki paliwa w układach
wtryskowych Common Rail przy ciśnieniu 200 MPa zaburzana jest odmiennymi w stosunku
do ON cechami fizyko-chemicznymi komponentów biopaliwowych. Zagadnienia adaptacyjne
realizowane są w wyniku sterowania układem doładowania silnika poprzez turbosprężarkę
ze zmienną geometrią łopatek kierownic wlotu gazów do turbiny VGT (Variable Geometry
Turbocharger). Powszechnie stosuje się chłodnicę powietrza w układzie dolotowym silnika a
także układ EGR z chłodnicą spalin. Dodatkowej poprawy należy oczekiwać wraz z
upowszechnieniem wtryskiwaczy sterowanych piezoelektrycznie cechujących się krótkim
czasem reakcji na impuls napięciowy (ok. 0,1 ms) [Merkisz 2010].
Przykładowo, silnik o dużej pojemności skokowej ciągnika gąsienicowego Challenger
MT800B (440 kW) wyposażony jest w hydrauliczno-elektroniczny system sterowania dawką
paliwa HEUI (Hydraulic Electric Unit Injector) sterowany przez moduł elektroniczny CAT
Electronics ADEM4 współpracujący z katalizatorem utleniającym oraz filtrem cząstek stałych
DPF. Dwa modele ciągnika MT 875B posiadają silniki CAT C18 o poj. 18,1 l i mocy 475 kW
spełniające wymogi norm toksyczności spalin UE Tier III.
W przegubowym ciągniku gąsienicowym CASE Quadtrac zastosowano nowatorską
technologię wspomagania silnika (o poj.14,9 l) w systemie TurboCompound zapewniając
moment obrotowy 2563 Nm już przy 1400 obrmin-1 (rys. 1).
Spaliny kierowane są do turbiny turbosprężarki a następnie na wirnik turbowspomagania uzyskujący prędkość obrotową ponad 50 000 obrmin-1. Temperatura spalin na
wejściu do zespołu TurboCompound jest w dalszym ciągu wysoka (około 600oC). Spaliny
kierowane są następnie na konwerter katalityczny zlokalizowany przed konwencjonalnym
tłumikiem. Wirnik połączony jest sprzęgłem hydrokinetycznym z zespołem przekładni
zębatych, przekazując równolegle napęd do wału korbowego silnika. Charakterystyka
momentu obrotowego układu wspomagania wykazuje optimum w zakresie maksymalnej
mocy silnika.
Odmianą tego systemu jest wspomniane rozwiązanie Electric Turbo Compounding
stosowane przez firmę JOHN DEERE, którego schemat funkcjonalny wraz z przekrojem
turbo-generatora zamieszczono na rys. 2 [Vunk C.T. 2006.
5
.
Rys. 1. Elementy układu wspomagania energią spalin TurboCompound ciągnika CASE Quadtrac 535:
1- wlot spalin do turbosprężarki doładowującej silnik, 2- złącze wyjściowe spalin,
3- turbina TurboCompound, 4- zespół przekładni i sprzęgła hydrokinetycznego,
5- przekładnia zębata o stałym zazębieniu z wałem korbowym (6)
[Mat.inf. CASE IH].
Rys. 2. Schemat funkcjonalny Electric Turbo Compounding ciągnika
JOHN DEERE 7430 i 7530 Premium [Vunk C.T. 2006].
Istotnym zagadnieniem na które należy zwrócić uwagę, jest informacja podawana przez
producenta odnośnie okresów serwisowania ciągnika, zwłaszcza gdy producent deklaruje
możliwość zasilania silnika biopaliwem B100. Ciągniki CASE IH cechują się znacznymi
przedziałami okresów serwisowania – średnio 600 h, co znacznie obniża koszty eksploatacji.
W przypadku ciągnika Maxxum Multicontroller z systemem zarządzania mocą dopuszczalne
jest stosowanie biodiesela B100 przy zachowaniu uśrednionego okresu serwisowania w
stosunku do zaleceń innych producentów ciągników.
Współczesne silniki z ZS, które zostały zaprojektowane do zasilania ON nie powinny być
zasilane naturalnym olejem roślinnym, gdyż występują wówczas problemy z
unieruchomieniem sekcji tłoczących oraz iglic rozpylaczy, powstawanie nagarów w komorze
spalania i pogorszenie właściwości smarnych oleju silnikowego [Kruczyński, Jakóbiec 2004].
Producenci silników przeznaczonych dla pojazdów rolniczych podejmują jednak próby
wprowadzenia systemu CVO (Clear Vegetable Oils) zasilania czystymi olejami roślinnymi
(OR). Systemy adaptujące silnik z ZS do zasilania OR w większości opierają się na
zaimplementowaniu w nich układu podgrzewającego OR, uzyskując w ten sposób znaczne
obniżenie lepkości paliwa.
6
Zasadniczym problemem jest zróżnicowanie kinetyki spalania paliwa w komorze silnika
[Kern i in. 1998]. Oprócz wydłużenia okresu opóźnienia samozapłonu następuje w przypadku
OR przeniesienie spalania zasadniczej dawki paliwa do obszaru dyfuzyjnego. Przestrzenny
sposób tworzenia mieszaniny palnej uzależnia okres opóźnienia samozapłonu od
temperatury komory spalania. W przypadku stosowania tych samych parametrów wtrysku
paliwa (jak dla ON) następuje ponad 3-krotny wzrost średniej średnicy (Sautera) kropel
rozpylonego paliwa, co skutkuje większym zasięgiem strugi paliwa i przejściem na
przyścienny sposób tworzenia mieszaniny palnej [Kern i in. 1998]. W przypadku silników
ciągników rolniczych cechujących się dużą objętością komór spalania, zjawisko to nie
nabiera jednak tak istotnego znaczenia jak w przypadku silników trakcyjnych o małej
pojemności skokowej.
Publikowane badania porównawcze ciągników DEUTZ-FAHR Agrotron TTV 1160 i
FEND Farmer Vario 412 zasilane OR wykazały pozytywny wynik eksploatacyjny w zakresie
bezawaryjnej pracy dla 150 mth. Zaznaczył się jednak wzrost jednostkowego zużycia paliwa
i spadek lepkości oleju smarującego silnik wynikający z ponad 5% zawartości OR. Spadek
lepkości oleju jest wynikiem przedmuchów OR do skrzyni korbowej silnika [FEND 2009].
Wytworzenie przestrzennego systemu spalania mieszanki powietrza z udziałem OR
zostało zrealizowane w specjalnej komorze spalania silnika Elsbetta. Olej rzepakowy
podgrzany do temperatury powyżej 70°C charakteryzuje si ę lepkością zbliżoną do ON. W
roku 1996 podjęto próbę zastosowania silnika Elsbetta w ciągniku VALMET 605, który
testowany był w Instytucie Statens Maskinprovnigar – Uppsala. Ciągnik nie doczekał się
upowszechnienia pomimo znacznego zainteresowania na rynkach eksportowych w
Niemczech i Austrii. Podobne rozwiązanie zaproponowała szwedzka firma Oilpress, która
przystosowała ciągniki rolnicze JOHN DEERE do zasilania oczyszczonym olejem
rzepakowym. Upowszechniono również dla potrzeb indywidualnych zamówień system
dwupaliwowego silnika ciągnika DEUTZ-FAHR z przystosowaniem do zasilania olejem
rzepakowym i ON wg schematu funkcjonalnego zamieszczonego na rys. 3. Zasilanie OR jest
możliwe w wyniku zastosowania dwóch niezależnych obiegów paliwa wraz z systemem
filtrów, podgrzewaczem oraz elektronicznym systemem sterowania wtryskiem paliwa.
Temperatura oleju rzepakowego jest utrzymywana w przedziale 50-90oC, w zależności od
temperatury powietrza zasysanego przez silnik. Proces podgrzewania oleju może być
realizowany poprzez wstępne ogrzewanie elektryczne. Po rozgrzaniu silnika spalinowego
zostaje wykorzystany dodatkowy wymiennik ciepła zainstalowany w układzie chłodzenia
silnika. Przed unieruchomieniem silnika (ok. 2-3 min) następuje przełączenie układu na
zasilanie ON lub RME w celu usunięcia pozostałości OR z układu paliwowego. Proces
ponownego rozruchu przebiega zawsze przy zasilaniu układu paliwowego na ON lub RME.
Rys. 3. Schemat układu zasilania silnika ciągnika DEUTZ-FAHR
w systemie dwupaliwowym [Dzieniszewski, Piekarski 2006].
7
Znacznie uproszczonym rozwiązaniem technicznym jest układ zasilania silnika ciągnika
rolniczego biopaliwem FAME lub jego mieszaninami z ON. Paliwa FAME powinny posiadać
pakiety uszlachetniaczy dedykowane dla zróżnicowanych warunków eksploatacji silnika.
Pomimo przeprowadzenia wielu prac badawczych z zakresu zasilania silników biopaliwem, w
dalszym ciągu istnieją kontrowersje, dotyczące eksploatacji nowoczesnych jednostek
wyposażonych w układ wtrysku paliwa typu Common Rail [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
Schemat funkcjonalny układu Common Rail ciągnika rolniczego DEUTZ-FAHR
przedstawiono na rys. 4. W silnikach 6-cio cylindrowych SAME-DEUTZ o pojemności 7,14 l
stosowanych w ciągnikach serii 900 Vario zastosowano również układ Common Rail wraz z
innowacyjnym systemem recyrkulacji spalin AGRex, który w znaczny sposób redukuje
emisję toksycznych składników spalin i zmniejsza zużycie paliwa (model 936 Vario –
195 gkWh-1). Warto zwrócić uwagę na zastosowanie w tej jednostce napędowej
elektronicznie sterowanego wentylatora – Viscotronic.
Rys. 4. Schemat układu zasilania Common Rail silnika ciągnika rolniczego
DEUTZ-FAHR serii 2012 DCR
[Mat. inf. DEUTZ-FAHR].
Producenci aparatury wtryskowej paliwa (FIE) jak: Delphi, Bosch, Siemens, Denso i
Stanadyne we wspólnym oświadczeniu, zwracają uwagę na potencjalne problemy związane
ze stosowaniem FAME jako paliwa do silników o ZS [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
Równocześnie podawane są w folderach informacje odnośnie wielopaliwowego systemu
zasilania ciągników rolniczych, czego dowodem są przykłady ciągników serii DEUTZ-FAHR
TTV 600 średniej mocy z zakresu 160 - 222 kW z silnikami DEUTZ Common Rail TCD
20124V. Silniki te (wyposażone w EGR) przystosowano do zasilania ON oraz B100 wg
normy EN14214. Również seria X Profi (242-275 kW) z silnikami DEUTZ Cammon Rail TCD
2012 4V (z systemem recyrkulacji i chłodzenia spalin) przystosowana jest do zasilania OR
oraz B100 (wg normy EN14214). Podobnie seria kompaktowych ciągników TTV400 (95 kW)
wyposażonych w silnik DEUTZ TCD2012 2V EURO III przystosowana jest do zasilania OR
lub FAME 100% (wg normy EN14214).
Stałe dążenie do polepszania trwałości silników spalinowych, w tym zasilanych
biopaliwem, wymaga konieczności prowadzenia badań eksploatacyjnych w zakresie
trwałości silnika w układzie paliwo-olej smarujący. Badania te w znacznym stopniu mogą
przybliżyć i opisać mechanizm procesu degradacji oleju smarującego.
Upowszechniany jest obecnie w silnikach ciągników rolniczych system inteligentnego
zarządzania mocą Power Control DPC - głównie dla silników z układem zasilania Common
Rail [Materiały inf. DEUTZ-FAHR]. Chwilowe zwiększenie momentu obrotowego silnika w
przypadku wzrostu oporów trakcyjnych ciągnika związane jest z koniecznością
przesterowania maksymalnej dawki paliwa przez sterownik ECU i zwiększenia ciśnienia
doładowania [Seeger 2001]. Przykładem zastosowania takiego systemu jest 6-cio cylindrowy
8
silnik VALTRA Valmet 8350L Eco Power. W ciągniku gąsienicowym CASE Quadtrac 535
(poj.14,9 l) wprowadzono podniesienie mocy z 403 kW do 443 kW poprzez przejście na
system Power Control wraz z wykorzystaniem nowatorskiej technologii wielostopniowego
TurboCompound. Przykład korygowanego przebiegu zewnętrznej charakterystyki
prędkościowej silnika CASE Maxxum 140 Multicontroller przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Przebiegi zewnętrznych korygowanych charakterystyk prędkościowych
silnika z wykorzystaniem systemu zarządzania mocą EPM
ciągnika CASE Maxxum 140 Multicontroller
[Mat. inf. CASE IH].
Wprowadzono szeroki zakres modyfikacji charakterystyki zewnętrznej silników
EcoPower SISU z układem zasilania Common Rail stosowanych w ciągnikach VALTRA.
Oprócz klasycznego podniesienia mocy w warunkach transportowych, wprowadzono w
modelach T151e możliwość przejścia na niższą prędkość obrotową wału silnika (o
400 obrmin-1) w warunkach unormowanych obciążeń roboczych przy współdziałaniu z
automatycznym doborem przełożeń skrzyni Powershift (rys. 6). Ten tryb pracy powoduje
zmniejszenie o ok. 10% jednostkowego zużycia paliwa, zmniejszenie poziomu hałasu o kilka
dB, a także wydłużenie okresu eksploatacji silnika o 20% [Mat. inf. T151e VALTRA].
Rys. 6. Rezerwa mocy silników SISU stosowanych w ciągnikach VALTRA
[Mat. inf. T151e VALTRA].
System zarządzania mocą wymaga normowych parametrów FAME lub jego mieszanin z
ON. Ponadnormatywny wzrost gęstości paliwa może być przyczyną braku podziału
czasowego pomiędzy dawkami składowymi przy wieloetapowej charakterystyce wtrysku
paliwa. Wszelkie odstępstwa od normowych parametrów stosowanego paliwa w przypadku
przejścia na tryb pracy wg DPC skutkują natychmiastową emisją cząstek stałych, co może
9
prowadzić do negatywnych następstw gromadzenia się nagarów i aglomeratów PM
(Particulate Matter) w komorze spalania [Cieślikowski 2011].
Wprowadzenie układu wtryskowego Common Rail w silniku DEUTZ 2012DCR (FENDT)
zapewniło płynny przebieg narastania ciśnień roboczych w drugiej fazie procesu spalania.
Uzyskano w ten sposób niższe wartości przyrostu ciśnień na stopień obrotu wału korbowego,
co skutkuje niższym poziomem emisji hałasu i eliminuje niekorzystne nadwyżki obciążeń
dynamicznych w układzie korbowo-tłokowym silnika. Poziom hałasu w zakresie „obciążeń
startowych silnika” (1000 obrmin-1) wynosi 74 dB(A), natomiast przy obciążeniu nominalnym
nie przekracza 91,5 dB(A). W stosunku do poprzedniej wersji silnika uzyskano redukcję
hałasu o 5 dB(A) w przytoczonych zakresach obciążeń, zapewniając 20% wzrost momentu
obrotowego przy niskim jednostkowym zużyciu paliwa wynoszącym 213 gkWh-1. Stosowanie
FAME lub mieszanin z ON znacząco przyczynia się do obniżenia podanych poziomów
hałasu głównie poprzez podwyższenie liczby cetanowej (LC) paliwa.
W silniku 2012DCR ciągnika rolniczego DEUTZ-FAHR wyposażonego w układ wtrysku
paliwa Common Rail zastosowano dwustopniowy filtr paliwa z separatorem zanieczyszczeń
(30 µm) przystosowany do szybkiego usuwania osadów stałych (rys. 7).
Rys. 7. Filtr wstępny i dokładnego oczyszczania paliwa z separatorem - silnik 2012DCR
ciągnika rolniczego DEUTZ-FAHR [Mat. inf. DEUTZ-FAHR]:
1. przyłącze filtra wstępnego oczyszczania
2. przyłącze filtra dokładnego oczyszczania paliwa
Wymiana wkładów filtrujących (co 1000 h pracy silnika) może zostać radykalnie
obniżona w przypadku stosowania FAME o nieodpowiednim procesie sedymentacji fazy
glicerynowej. Szklana komora osadnika umożliwia obserwację nagromadzonych osadów w
filtrze, co znacznie ułatwia kontrolę układu paliwowego silnika zasilanego biopaliwami.
Jednym z głównych problemów dotyczących eksploatacji silników ciągników rolniczych
zasilanych RME jest zapewnienie właściwego rozruchu w temperaturze –5oC. Właściwości
niskotemperaturowe FAME różnią się od analogicznych właściwości ON, co wynika z
jednolitości związków chemicznych wchodzących w skład biopaliwa powodując zwiększoną
skłonność do tworzenia specyficznych struktur o charakterze zawiesin (szlamów). Ich
obecność ogranicza przepływ paliwa i prowadzi do stopniowej blokady filtra paliwa i
unieruchomienia silnika [Kruczyński, Jakóbiec 2004]. Procesy destrukcji materiałów
konstrukcyjnych zachodzą już na etapie przechowywania i dystrybucji biopaliwa, a także w
wyniku bezpośredniego kontaktu z materiałami konstrukcyjnymi silników, zwłaszcza układu
paliwowego, w tym aparatury wtryskowej [Cieślikowski, Jakóbiec 2010a].
Obecnym standardem konstrukcyjnym ciągnika jest wyeliminowanie klasycznej
konstrukcji zbiornika paliwa wykonanego z wytłoczonych formatów blachy stalowej
poddanych procesowi zgrzewania obwodowego wraz z zabezpieczeniem cynowym
powierzchni wewnętrznych. Rozpoznane procesy korozyjne metali w kontakcie z FAME
skłoniły producentów do stosowania zamienników materiałowych i modyfikacji technologii
wytwarzania zbiornika paliwowego. Obecnie zbiorniki wytwarzane są z tworzywa sztucznego
- Polietylen TL669. Przykłady takich rozwiązań spotkać można w ciągnikach JOHN DEERE,
DEUTZ- FAHR, MF i innych (rys. 8).
10
Rys. 8. Zbiornik ciągnika rolniczego wykonany z tworzywa (Polietylen TL669).
Znaczącym utrudnieniem konstrukcyjnym było opracowanie metalowego zbiornika
paliwa dla ciągnika VALTRA L142 Versu przeznaczonego do prac leśnych, odpornego na
uszkodzenia mechaniczne i procesy destrukcyjne FAME. Zastosowano w tym przypadku
tłoczone elementy stalowe o zwiększonej grubości, wprowadzając technologię powłok
pasywacyjnych wraz z pokryciem kataforetycznym wnętrza zbiornika [Materiały inf.
VALTRA].
Wykazano nasilenie procesu destrukcji stali stopowej stosowanej do wykonania
elementów sekcji tłoczącej pompy wtryskowej, a także przewodów paliwowych wysokiego
ciśnienia. Wysoki wskaźnik destrukcji dotyczy miedzianych uszczelniaczy stosowanych do
uszczelnienia przyłączy pompy wtryskowej a także powłoki cynowej klasycznego zbiornika
przy zaznaczającym się wzroście liczby kwasowej biopaliwa [Cieślikowski, Jakóbiec 2010a].
Wyniki badań mogą posłużyć do weryfikacji doboru materiałów konstrukcyjnych układu
paliwowego i korbowo-tłokowego silników eksploatowanych na paliwach FAME. Konieczne
jest wprowadzenie zamienników materiałowych w układzie paliwowym silników ciągników
rolniczych zgodnie ze standaryzacją przemysłu motoryzacyjnego:
zbiornik paliwa – Polietylen TL669,
przewody paliwa – Poliamid PA12,
uszczelniacze – PTFE (Politetrafluoroetylen).
Szeroki zakres prac badawczych został zrealizowany w Instytucie Technologii Nafty i
Gazu w Krakowie w zakresie oceny parametrów roboczych silnika typu PERKINS
AD3.152UR stosowanego w ciągniku rolniczym MF [Jakóbiec, Ambrozik 2007]. Badania na
stanowisku hamownianym przeprowadzono podczas zasilania silnika paliwami: ON
Ekodiesel Ultra, oraz mieszaninami FAME i ON: B10, B20 i B30. Porównanie przebiegów
ciśnienia w cylindrze silnika pracującego wg zewnętrznej charakterystyki prędkościowej dla
prędkości obrotowych 1400 i 2000 obrmin-1 wykazało niewielka różnicę wartości, co nie
powoduje pogorszenia parametrów roboczych ciągnika, nawet w przypadku ciężkich prac
polowych. Zauważalny jest jednak wzrost jednostkowego i godzinowego zużycia paliwa przy
zasilaniu czystym FAME i B30. Porównawcze przebiegi zewnętrznych charakterystyk
prędkościowych dla wzorcowego silnika AD3.152UR zasilanego ON, FAME i biopaliwem
E30 przedstawiono na rys. 9.
Ocena emisji toksycznych składników spalin silnika ciągnika rolniczego w warunkach
prac polowych jest utrudniona ze względu na ciągłe zmiany warunków trakcyjnych. Ponadto
rozbieżności wynikają ze zróżnicowanego stanu technicznego silników, składu komponentów
paliwa i właściwości fizyko-chemicznych paliw. Dla uniknięcia wpływu wielu zmiennych
przeprowadza się badania hamowniane w 13-fazowym cyklu pracy według procedury ECE
R49. Wyniki pomiarów dla wzorcowego silnika wykazały najwyższy poziom emisji tlenków
azotu NOx przy zasilanym FAME dla kąta wyprzedzenia wtrysku 21oOWK. Należy podkreślić,
że w przypadku biopaliw E10, E20 i E30 emisja NOx była zdecydowanie wyższa niż przy
zasilaniu ON (rys. 10) [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
11
32
170
165
160
155
150
145
140
135
130
125
120
115
110
Ne
Mo
30
Ne [kW]
28
26
24
22
ON
FAME
B30
20
18
16
Mo [Nm]
34
380
9
Gh
360
340
Gh [kg/h]
7
320
6
300
ge
5
280
4
260
3
240
2
ge [g/kWh]
8
220
1000
1200
1400
1600
n [obr/min]
1800
2000
2200
Rys. 9. Porównawcze przebiegi zewnętrznych charakterystyk prędkościowych silnika
AD3.152UR ciągnika MF zasilanego ON, FAME i B30 [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
2800
2700
2600
2500
NOx [ppm]
2400
2300
2200
2100
2000
ON
FAME
B10
B20
B30
1900
1800
1700
1600
1000
1200
1400
1600
n [obr/min]
1800
2000
Rys. 10. Emisja tlenków azotu NOx silnika AD3.152UR ciągnika MF zasilanego: ON, FAME
i B10, B20, B30 pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i kącie
o
wyprzedzenia wtrysku αww=17 OWK [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
W tym przypadku uzasadnione są modyfikacje silników ciągników rolniczych
polegające na selektywnej redukcji katalitycznej NOx z wykorzystaniem reduktora w
postaci 32,5% roztworu mocznika wtryskiwanego przed reaktor katalityczny SCR
(rys. 11). Produkt ten o nazwie AdBlue wykorzystywany w układzie SCR wymaga
zainstalowania pokaźnego zbiornika, gdyż zużycie roztworu mocznika kształtuje się na
poziomie powyżej 2% objętości zużywanego paliwa.
Rys. 11. Schemat funkcjonalny układu SCR
[Mat. inf. Scandic Diesel Services].
12
Zużycie środka AdBlue w silniku ciągnika rolniczego VALTRA S352 kształtuje się na
poziomie 3-5% objętości paliwa. Dodatek ten o alternatywnej nazwie DEF (Diesel Exhaust
Fluid) spełnia wymogi jakościowe norm ISO-22241 i jest dostarczany na rynek w 10, 20 i
1000 litrowych opakowaniach.
Często stosowanym rozwiązaniem jest system recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas
Recirculation) powodujący obniżenie prędkości spalania w fazie spalania wybuchowego
przyczyniając się tym samym do spadku poziomu NOx w spalinach. Schemat takiego układu
stosowanego w ciągniku DEUTZ-FAHR zamieszczono na rys. 12.
Rys. 12. Schemat układu EGR (Exhaust Gas Recirculation)
stosowanego w ciągniku DEUTZ-FAHR [
Mat. inf. DEUTZ- FAHR].
Obniżenie poziomów emisyjności toksycznych składników spalin widoczne jest po
stronie grup węglowodorowych HC i emisji cząstek stałych PM (rys. 13). Emisja
węglowodorów HC silnika zasilanego FAME była porównywalna w stosunku do zasilania ON,
natomiast w przypadku B10 i B20 była zdecydowanie niższa. Również zadymienie spalin
było niższe przy zasilaniu silnika FAME w porównaniu zasilaniem ON. Poprawę procesu
spalania można zaobserwować na tle spadku stężenia tlenku węgla CO w spalinach, które
było znacznie niższe w przypadku zasilania silnika FAME w porównaniu do zasilania ON
[Jakóbiec, Ambrozik 2007].
60
55
50
45
40
HC[ppm
]
35
30
25
20
ON
FAME
B10
B20
B30
15
10
5
0
1000
1200
1400
1600
n [obr/min]
1800
2000
Rys. 13. Emisja węglowodorów HC silnika AD3.152UR ciągnika MF zasilanego: ON, FAME, B10,
B20, B30 pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i kącie
o
wyprzedzenia wtrysku αww=17 OWK [Jakóbiec, Ambrozik 2007].
13
Ograniczenie dopuszczalnych poziomów emisji CO i HC, wymusza stosowanie w
silnikach ciągników rolniczych katalizatorów oksydacyjnych zintegrowanych z filtrami cząstek
stałych DPF (Diesel Particulate Filter). Graniczna emisja cząstek stałych PM (Particulate
Matter) stanowi równorzędne kryterium w stosunku do emisji toksycznych składników spalin
w silnikach z ZS [Merkisz 2007]. Punkt ciężkości badań nad obniżeniem toksyczności spalin
silników ZS przesunął się w kierunku wyjaśnienia zjawisk powstawania cząstek stałych oraz
możliwości obniżania ich emisji [Merkisz, Mazurek 2010]. Szkodliwe oddziaływanie cząstek
stałych wnikających w środowisko zbioru płodów rolnych wynika z faktu małego wymiaru
cząstki i podatności w strukturę materii. Cząstki te absorbują metale ciężkie, związki siarki i
azotu oraz węglowodory WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), wśród
których mogą wystąpić substancje pośrednio bądź bezpośrednio kancerogenne [Szlachta
2002]. Zaznacza się ponadto w ciągnikach rolniczych stosowanie metod aktywnej
regeneracji filtrów DPF przy równoczesnym procesie optymalizacji pakietów uszlachetniaczy
paliwa.
Proces regeneracji aktywnej filtrów DPF w systemach wtrysku paliwa Common Rail
polega na podaniu dodatkowej części dawki paliwa po zwrocie zewnętrznym tłoka w fazie
rozprężania, powodując wzrost temperatury spalin do około 350-400ºC. Rozgrzane spaliny
trafiają do filtra DPF, w którym następuje katalityczne dopalanie węglowodorów
pochodzących z dodatkowej dawki paliwa, w wyniku czego temperatura spalin wzrasta do
około 450-500ºC [Rokosz 2007]. Proces eksploatacji pojazdów trakcyjnych przy
wzrastającym udziale czasu pracy na biegu jałowym przebiega w zakresie temperatur na
wlocie do DPF nie przekraczających 150-200ºC. W odróżnieniu od tego stanu, silniki
ciągników rolniczych w przypadku wykonywania ciężkich prac polowych wykazują zwykle
stan obciążeń nominalnych, co sprzyja procesowi regeneracji filtra. Przykładem silnika
wyposażonego w selektywny reduktor katalityczny spełniający również rolę filtra DPF jest
przedstawiony na rys. 14 silnik ciągnika VALTRA T.
Rys. 14. Silnik ciągnika VALTRA serii T wyposażony w selektywny reduktor katalityczny
[Mat. inf. firmy VALTRA].
Badania prowadzone w KIMiA UR W Krakowie ukierunkowane zostały na określenie
wpływu stosowania ON z udziałem FAME na proces tworzenia się osadów w katalizatorze
oksydacyjnym i filtrze DPF. Oceniono proces zużywania się filtrów DPF w wyniku wzrostu
zawartości wytrąconych w filtrze składników nieutlenionych pochodzenia organicznego
(rys. 15), [Cieślikowski 2011].
Widmo fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją energii w odniesieniu do oceny składu
chemicznego osadu zgromadzonego w filtrze cząstek stałych i katalizatorze oraz analiza
widma spektroskopii w podczerwieni IR wykonana po ekstrakcji próbki pobranej ze struktury
kanalików wykazały udział związków organicznych w osadzie stałym pochodzącym z
zastosowania dodatku FAME do ON (rys. 16), [Cieślikowski 2011].
14
a.)
b.)
Rys. 15. Osady zalegające wlotową stronę filtra DPF
a.) i katalizatora oksydacyjnego
b.).[Dokumentacja fotograficzna prac badawczych Katedry Inżynierii
Mechanicznej i Agrofizyki UR w Krakowie].
Rys. 16. Widmo spektroskopii w podczerwieni po ekstrakcji próbki pobranej
ze struktury absorpcyjnej filtra pozwalające ocenić udział związków
organicznych w osadzie [Cieślikowski 2011].
Osad stały stanowią grupy polimerów FAME pochodzących głównie ze zróżnicowanych
pakietów uszlachetniających stosowanych w produkcji biopaliw. Wszystkie pozostałości stałe
w kanalikach struktury przestrzennej katalizatora i filtra DPF tworzą osad trudno usuwalny i
przyczyniają się do stopniowej, lecz przyspieszonej utraty sprawności funkcjonalnej tych
elementów układu wylotowego spalin.
3.
Rozwój układów przeniesienia napędu w ciągniku rolniczym
Prędkości robocze ciągnika rolniczego wykazują duże zróżnicowanie w przedziale od
0,48 kmh-1 do 50 kmh-1. Stosowane są obligatoryjnie elektroniczne układy ograniczenia
prędkości maksymalnej ciągnika np. do 40 km.h-1 (PRONAR 8140) lub 50 km.h-1 (T6000 NEW
HOLLAND). Odniesienie prędkości roboczej do uzyskiwanej siły uciągu jest w niektórych
przypadkach kłopotliwe jak podczas pracy z zawieszonym opryskiwaczem. Prędkość
robocza na najniższym przełożeniu wyznaczona jest z warunku uzyskania maksymalnej siły
uciągu w odniesieniu do normatywnego poślizgu kół napędowych. Producenci ciągników
wielu firm podają wprawdzie maksymalne siły uciągu wg testu OECD, jednak na podłożu
betonowym nie zaznaczając wartości procentowej poślizgu. Należy uwzględnić związki
pomiędzy ciężarem całkowitym agregatu ciągnikowego, rodzajem ogumienia, mocą uciągu w
funkcji poślizgu przy tendencjach ograniczenia jednostkowych nacisków na glebę [Sharma,
Pandley 2001, Weissach 2001]. Publikowane wyniki badań polowych ciągnika JOHN DEERE
7720 wyposażonego w opony Goodyear 600/65R28 na osi przedniej i Optitrac 710/70R38 na
15
osi tylnej wykazały zróżnicowane wartości siły napędowej oraz oporów toczenia przy
zmiennym poślizgu kół [Materek 2008]. Zmienność mocy uciągu badanego ciągnika w
warunkach trakcyjnych została przedstawiona na rys. 17.
Rys. 17. Przebieg zmian mocy uciągu ciągnika JOHN DEERE 7720 dla zmiennej
wartości poślizgu kół [Materek 2008].
Asortyment zespołów przekładniowych w obrębie jednego modelu ciągnika jest bardzo
zróżnicowany. Przykładowo, ciągnik T6000 firmy NEW HOLLAND wyposażany jest
opcjonalnie w najprostszą przekładnię sterowaną ręcznie Synchro Command 12x12 lub
przekładnię Dual Command 24x24 w wydaniu bezsprzęgłowym z układem zmiany kierunku
jazdy Powershuttle a także w przekładnię Elektro Command 16x16 z „pół-układem
Powershift” umożliwiającą operatorowi zmianę ośmiu przełożeń bez użycia sprzęgła.
Zapewniony jest wybór prędkości transportowych: 40 km.h-1, 40 km.h-1 Economy i 50 km.h-1
[Mat. inf. T6000].
Uwzględniając wysoką sprawność układu napędowego oraz konieczność uzyskania
wymaganej prędkości roboczej ciągnika przy zapewnieniu nominalnej siły uciągu wynikającej
z zadań agrotechnicznych, stosuje się zmodyfikowane skrzynki stopniowe w wydaniu
planetarnym przełączane pod obciążeniem Powershift a także konstrukcje hybrydowych
skrzynek o cechach przekładni bezstopniowej. Poprawę wskaźnika dynamicznego ciągnika
rozumianego jako nadwyżka nominalnej siły uciągu w stosunku do ciężaru całkowitego
agregatu, realizuje się poprzez stosowanie sprzęgieł hydrokinetycznych w układzie
napędowym ciągnika. W klasycznym układzie przeniesienia napędu Dual Command ciągnika
New Holland 4000V/N/T zastosowano układ Powershuttle wraz ze sprzęgłem Power Clutch,
które umożliwia operatorowi na wyłączenie napędu za pomocą przycisku umieszczonego na
głównej dźwigni zmiany biegów. Opcjonalnie występuje również skrzynka 20x12 Shutle
Command z biegiem „super wolnym”.
Współczesny ciągnik rolniczy powinien posiadać minimum 18 biegów oraz rewers, czyli
przekładnię do szybkiej zmiany kierunku jazdy. Wyższej klasy ciągniki posiadają zwykle
bezstopniową skrzynię biegów typu Vario (FENDT) lub Dyna-VT stosowaną np. w ciągnikach
MASSEY FERGUSON z serii 7400 i 8400. Stosowane są również systemy
wielosprzęgłowych skrzyń biegów typu Powershift. Współczesny krajowy produkt - ciągnik
PRONAR 8140 z silnikiem firmy DEUTZ rozwija moc 260kW współpracując z skrzynią
biegów dla przełożeń przód/tył: 40/40. Zapewnione jest przełączanie biegów pod
obciążeniem (Powershift) w każdym z 6 zakresów (4-biegowych) przełożeń oraz
przełączanie pod obciążeniem przód-tył (Powershuttle). Zastosowano reduktor biegów
pełzających – przełączanych pod obciążeniem (Powershift) w każdym z 4-ech dodatkowych
zakresów przełożeń reduktora. Wspomniana nowa seria 8400 firmy MASSEY FERGUSON z
silnikami SISU o mocach od 235 do 315 kW wyposażona jest wyłącznie w bezstopniową
16
skrzynię biegów Dyna-VT z hydrauliczną przekładnią nawrotną Power Control sterowaną
przez układ GTA3.
Najnowsze wersje ciągników VALTRA T z silnikami SISU Power w układzie Common
Rail wyposażono w układ przeniesienia napędu Versu oraz Direct. Ciągniki serii T Versu
mają wielostopniową przekładnie Powershift o 30 przełożeniach i 4-ech zakresach pracy. W
systemach Direct możliwe są 4 zakresy pracy ze zmianą prędkości roboczej sterowanej
położeniem dźwigni.
Dla uzyskania większej dynamiki wprowadzono układ Kick-Shift w ciągniku SAME
DEUTZ-FAHR zapewniający możliwość opuszczania kolejnych biegów. Dodatkowo
wyposażono układ napędowy w elektrycznie sterowany hamulec postojowy.
W układach przeniesienia napędu współczesnych ciągników wykorzystuje się tradycyjne
konstrukcje wielostopniowych stopni planetarnych w systemie Simpsona i Revigneaux.
Cechą charakterystyczną tych wielosprzęgłowych przekładni (sprzęgła cierne wielopłytkowe)
jest stałe zazębienie przekładni oraz to, że przełączanie biegów odbywa się pod
obciążeniem. Niekiedy stosuje się na wałku wejściowym sprzęgło kierunkowe pełniące rolę
nawrotnicy, jak w przypadku ciągników przystosowanych do niezależnego posadowienia
kabiny w stosunku do kierunku jazdy tył-przód. Przekładnia zawiera sprzęgła biegowe w
liczbie zależnej od rodzaju i liczebności stopni planetarnych. Przekładnie te cechują się
szybkim dostosowaniem przełożenia do zmiennych warunków trakcyjnych. W przypadku
cyklu prac załadowczych konieczne jest zróżnicowanie najniższych prędkości dla pochwytu
materiału oraz wykonania przejazdu z użyciem rewersu przy zmiennej prędkości - bez
konieczności posługiwania się klasycznym sprzęgłem i dźwignią zmiany biegów.
Proces przełączania biegów realizowany jest w systemie częściowego nakładania się
rozpiętości przełożeń, co eliminuje potrzebę stosowania wolnego koła zwiększającego
moment bezwładności stopni planetarnych [Pohlenz 1999]. Elektroniczno-hydrauliczny
sposób przełączania stopni planetarnych w wyniku nakładania się zakresów rozpiętości
przełożeń, powoduje płynny przepływ mocy bez odczuwalnego szarpania, co w przypadku
realizacji prac polowych w warunkach zwiększonego poślizgu kół nie pogarsza parametrów
trakcyjnych ciągnika [Aitzetmuller 1999]. Proces równoczesnego sterowania kolejnymi
stopniami planetarnymi przedstawiono na rys. 18 z zaznaczeniem czasu współdziałania
stopni planetarnych przy niewielkiej pulsacji przenoszonego momentu obrotowego.
Rys. 18. Proces sterowania równoczesnego stopniami planetarnymi skrzynki Popwershift.
W pełni automatyczna zmiana biegów wg zasady Hexashift została wprowadzona w
serii ciągników CLAAS Arion 510-640, której schemat przestrzenny przedstawiono na
rys. 19.
Automatyczny zakres zmiany przełożeń w obrębie 4-ech grup rozpiętości skrzynki
biegów Hexashift został przedstawiony na rys. 20, natomiast dla porównania schemat
ideowy klasycznej skrzynki Powershift zamieszczono na rys. 21.
17
Rys. 19. Schemat przestrzenny skrzynki Hexashift
[Mat. inf. CLAAS Arion 510-640].
Rys. 20. Stopniowanie i rozpiętość przełożeń skrzynki Hexashift
[Mat. inf. CLAAS Arion 510-640].
Rys. 21. Schemat skrzynki Powershift ciągnika JOHN DEERE 7810
[Żebrowski, Żebrowski 2007].
W ciągnikach gąsienicowych Challenger MT800B (340-570 kW) zastosowano
zmodyfikowany zestaw planetarnej przekładni Powertrain firmy CAT Powershift (16 biegów
do przodu i 4 wsteczne) dla potrzeb przenoszenia pełnej mocy przez długotrwały przedział
czasu na dowolnym przełożeniu roboczym. Wykorzystano oprogramowanie MSPS (Machine
System Protection Software) sygnalizujący przeciążenie gąsienic przy przekroczeniu
18
prędkości 6,4 km/h. Istnieje możliwość automatycznej korekcji parametrów trakcyjnych
ciągnika dla wskazanych poniżej prędkości roboczych na poszczególnych biegach:
Zaznacza się tendencja umożliwienia wyboru biegów rozruchowych od 1-7 za pomocą
„centrum sterowania trakcją” TMC z przechowywaniem tych danych w pamięci nawet po
wyłączeniu silnika. W trakcie jazdy funkcjonują kontrolery zgodności prędkości jazdy z
zakresem prędkości obrotowej silnika w ramach sieci informatycznej Intellitronics z doborem
optymalnego przełożenia w przypadku gdy dokonano niewłaściwego wyboru z użyciem
przycisku na dźwigni zmiany biegów.
System autokontrolny zastosowano w ciągniku CASE Steiger z przekładnią Powershift
16x2 z 9-cio stopniowym zakresem biegów roboczych dla prędkości od 5 do 13 kmh-1. Układ
APM (Automatic Productivity Management) reguluje prędkość obrotową silnika i dobór
przełożeń ze względu na kryterium niskiej emisji toksycznych spalin i niskiego
jednostkowego zużycia paliwa. Ręczna zmiana przełożeń odbywa się za pomocą
przełącznika Powershift (rys. 22) w dźwigni gazu. Po uruchomieniu układu APM operator
wybiera prędkość roboczą, natomiast układ dobiera właściwe przełożenie i prędkość
obrotową silnika.
Rys. 22. Dźwignia zmiany obciążenia silnika z przełącznikiem wyboru przełożenia.
[Mat. inf. CASE IH].
Skrzynki Vario zaliczane są do hybrydowych układów przeniesienia napędu ze względu
na połączenie mechanizmem sumującym dwóch ciągów przełożeń: przekładni
hydrostatycznej zapewniającej bezstopniowe przełożenie oraz stopni przekładni planetarnej
pracujących w systemie szeregów planetarnych Simpsona lub Revigneaux. Połączenie
dwóch równoległych strumieni mocy o różnych proporcjach rozdziału następuje na wale
przekładni sumującej stanowiącym jednocześnie wałek zdawczy przekładni Vario. Zmiana
przełożeń w zakresie przyjętej rozpiętości dla przekładni hydrostatycznej wyznacza
sprawność układu przeniesienia napędu [Szydelski 1999]. Stopnie przekładni planetarnej
dobrane zostały do konkretnych prac roboczych i transportowych (FENDT Vario) przy
określonej rozpiętości przełożeń [Żebrowski, 2002]. Zwykle wprowadza się zasadę
stopniowania przełożeń dla stopni planetarnych wg stałego stosunku przyrostu prędkości
pomiędzy kolejnymi stopniami. W ciągnikach stosowana jest również zasada konstrukcyjna
Eccon Transmissjon wprowadzona prze firmę ZF, polegająca na podwojeniu czterech stopni
przekładni planetarnej na szeregowym dwubiegowym reduktorze [Pohlenz 1999]. Modele
Favorit 926 począwszy od 1996 roku produkowane w fabryce w Marktoberdorf
19
zapoczątkowały rozwój przekładni bezstopniowych FENDT-Vario. Wszystkie modele
ciągników tej firmy o mocy od 60 do 360 KW wyposażone są obecnie w przekładnię
bezstopniową Vario. W ciagnikach FENDT serii 900 montowana jest wersja przekładni Vario
ML 260, a w najmniejszych ciągnikach serii 200 VFP Vario - najnowsza wersja skrzyni Vario
ML70. Ciągniki serii 400 wyposażone są w przekładnię ML90a 700 i 800 Vario ML160
sterowane jedną dźwignią Variostick, która umożliwia bezstopniową regulację prędkości od
0,03 km.h-1 do 40 km.h-1.
Popularność tych układów napędowych potwierdzona została na targach w Bolonii EIMA
(10-14 listopada 2010). Wśród ciągników zgłoszonych do prestiżowego konkursu "Tractor of
the Year 2011" dokonano wyboru „ciągnika roku 2011” uznając z najlepszy model FENDT
828 Vario o mocy 245 kW. Stylizacja modelu powstała przy współpracy specjalistów z firm
FENDT i PORSCHE. Doskonalenie systemu Variotronic zaznaczyło się w nowych modelach
serii FENDT 800 Vario TMS, o mocy 150 kW wyposażonych w system TMS. Technologia ta
zapewnia elektroniczną łączność pomiędzy silnikiem i przekładnią Vario. Umożliwia to
operatorowi dopasowanie odpowiedniej strategii jazdy do każdego rodzaju pracy. Rozwinięty
system Variotronic zawiera funkcję zarządzania trakcją dla operacji polowych oraz na
uwrociach przy zachowaniu 16 wartości wstawień, co ma szczególne znaczenie podczas
pracy ze sprzętem montowanymi na przednim i tylnym podnośniku WOM [Pawlicki, Faber
2008].
Schemat funkcjonalny skrzynki ciągnika FENDT zamieszczono na rys. 23 ze
wskazaniem:
A – mechanicznego przeniesienia napędu do przekładni planetarnej,
B – hydraulicznego przeniesienia napędu od przekładni planetarnej poprzez układ
hydrostatyczny na wałek sumujący,
C – mechanicznego przeniesienia napędu dla wyższych prędkości roboczych,
D – przeniesienia mocy na WOM,
E – rozdziału mocy w systemie 4x4.
Hydrauliczny układ składa się z pompy hydraulicznej i silników hydraulicznych o dużym
kącie przestawienia w zakresie 45o, co przy synchronicznie sterowanych hydrostatach
umożliwia bezstopniową zmianę prędkości. Proces ruszania z miejsca oraz jazdy z niską
prędkością przebiega przy zasadniczym udziale układu hydrostatycznego. Wraz ze
wzrostem prędkości szeregi planetarne przejmują udział w rozdziale strumienia mocy.
Zmiana kierunku jazdy realizowana jest przy wychyleniu silnika w przeciwnym kierunku.
Rys. 23. Schemat funkcjonalny hybrydowej skrzynki ciągnika
1 – sprzęgło hydrauliczne wielotarczowe, 2 – przekładnia planetarna, 3 – przeniesienie
napędu poprzez układ hydrostatyczny, 6 – pompa wielotłoczkowa, 7 – silnik
wielotłoczkowy, 8 – wałek sumujący, 9 – mechaniczna zmiany zakresów prędkości.
[Mat. inf. FENDT]:
20
Przekładnia Vario przekazuje napęd z wału korbowego silnika przez sprzęgło
wielotarczowe na przekładnię planetarną oraz wałek pompy wielotłoczkowej. Silnik
hydrostatyczny napędza wałek sumujący wraz z przekładnią planetarną. Pełne
wykorzystanie mocy hydrostatu występuje przy odchyleniu pompy i silnika o kąt 45°. W
przypadku gdy kąt wychylenia wynosi 0° układ hydrostatyczny nie fun kcjonuje, natomiast
wychylenie od 0° do 45° pozwala na płynne przyspies zanie obrotów wałka sumującego.
Awaryjne funkcjonowanie skrzynki w przypadku awarii układu elektronicznego polega na
sterowaniu mechanicznym dźwignią Vario umożliwiając awaryjny zjazd ciągnika bez
potrzeby stosowania dodatkowego środka transportu. Konieczne jest wówczas
mechaniczne przestawianie kierunku wychylenia pompy hydrostatycznej, przy czym ciągnik
nadal będzie zmieniał prędkość bezstopniowo w systemie nastawu tempomatu zachowując
zmianę kierunku jazdy bez użycia sprzęgła. Obroty z wałka sumującego przekazywane są na
przekładnię z 4 kołami zębatymi i sprzęgła elektrohydraulicznego dla zmian zakresów
prędkości biegów polowych lub transportowych. Przekładnia planetarna bezpośrednio
przekazuje napęd do wałka WOM. Lokalizacja przestrzenna mechanizmów Vario w układzie
przeniesienia napędu ciągnika została zaprezentowana na rys. 24 i 25.
Badania porównawcze wpływu stosowania dwóch systemów konstrukcyjnych skrzynek
na właściwości trakcyjne ciągników JOHN DEERE 7810 wyposażonego w 19-to biegową
skrzynkę Powershift i ciągnika FENDT Favorit Vario 924 miały na celu określenie zmiany siły
napędowej i sprawności układu napędowego w funkcji prędkości teoretycznej przy
obciążeniu siłą uciągu (dla mocy nominalnej ciągnika w całym zakresie prędkości roboczych)
[Żebrowski, Żebrowski 2005]. Badania wykazały wyższą sprawność skrzynki Poweshift
niezależnie od wybranego stopnia planetarnego, natomiast w zakresie prędkości do 4 kmh-1
sprawność przekładni Vario nie przekroczyła 0,8 co przyczyniło się do wzrostu
eksploatacyjnego zużycia paliwa. Sprawność układu hybrydowego wykazała tendencję
spadkową wraz z ze wzrostem wartości przełożenia (rys. 26).
Rys. 24. Układ napędowy ECCOM ciągnika DEUTZ FAHR TTV 620
opracowany przy współpracy z ZF
[Mat. inf. DEUTZ-FAHR].
21
Rys. 25. Przestrzenna lokalizacja mechanizmów skrzynki Vario.
Rys. 26. Zmiana rzeczywistych i teoretycznych sił napędowych w funkcji prędkości
teoretycznych ciągnika FENDT Favorit Vario 924 [Żebrowski, Żebrowski 2005].
4.
Magistrale informatyczne w ciągnikach rolniczych
Współczesne ciągniki rolnicze objęte są standaryzacją zasad transmisji danych w
obrębie układów funkcjonalnych ciągnika jak również w zestawie ciągnik-maszyna.
Producenci maszyn rolniczych uwzględnili potrzebę standaryzacji wymiany danych w
układzie ciągnik maszyna co warunkuje możliwość sprzedaży sprzętu rolniczego o
zaawansowanej technologii. W tym celu opracowano międzynarodowy standard ISO 11783
o nazwie ISOBUS umożliwiający komunikację w obrębie jednolitej platformy sprzętowoprogramowej dla połączeń i wymiany danych między układami elektronicznymi. Opracowanie
normy odbyło się przy współpracy i akceptacji podstawowych zasad systemowych przez
największych światowych producentów maszyn rolniczych. Opracowanie i koordynację
systemu ISOBUS powierzono grupie roboczej składającej się z przedstawicieli producentów
z Ameryki Północnej oraz Europy zrzeszonych w VDMA (Europa) oraz AEM (USA).
Jednocześnie powołano organ kontrolny DLG (Niemiecki Związek Rolniczy), którego
zadaniem jest kontrola kompatybilności systemów ISOBUS oraz postępów wdrażania
standardu transmisji ISO 11783 „An Electronic Communications Protocol of Agricultural
Equipment”, zachowując zgodność normą DIN 9684 i SAE J1939. Norma ISO określa
ponadto: nośnik, złącze wtykowe i protokół wymiany danych ISOBUS. Rozwój standardów
transmisji danych CAN (Controller Area Network) uzyskał swój odpowiednik w postaci
nowego protokołu CANBUS, który umożliwił w czasie rzeczywistym wymianę informacji w
22
zakresie funkcjonalnym komputera pokładowego agregatu. Proces sterowania i kontroli
układów funkcjonalnych ciągnika i maszyny rolniczej odbywa się z wykorzystaniem wspólnej
magistrali pracującej wg protokołu CANBUS. Zastosowanie mostków pozwala na łączenie
różnych rodzajów sieci, w tym o różnej prędkości czy architekturze (master/slave). Mogą
wówczas powstawać sieci lokalne tzw. LIN (Local Interconnect Network) [Mars 2003].
Efektem tych zagadnień innowacyjnych jest zaznaczający się wzrost niezawodności sprzętu
rolniczego wraz z równoczesną realizacją procesów diagnostycznych w systemie on-line
przy ograniczeniu kosztów wykonania instalacji elektrycznej i zmniejszeniu mocy
obliczeniowych sterowników. Producenci współczesnych ciągników informują o ograniczeniu
sumarycznej długości przewodów w instalacji elektrycznej (kilka kilometrów dla ciągnika),
zwiększania udziału sygnałów cyfrowych wolnych od wpływu zakłóceń zewnętrznych oraz
wyeliminowaniu klasycznych sterowników analogowych przypisanych do wybranych funkcji
pokładowych ciągnika. Niewątpliwą zaletą protokołu transmisji CAN jest możliwość
wielokrotnego wykorzystania sygnałów z czujników w całym systemie magistrali a także mała
ilość błędów wynikająca z ciągłej kontroli danych wysyłanych do urządzeń sterujących. W
przypadku rozpoznania błędu następuje automatyczne powtórzenie przesyłu informacji.
Rozbudowa układów sterowania oznacza wzrost liczby czujników i sterowników
mikroprocesorowych wymagających szybkiej wymiany dużych ilości danych. Realizacja tych
zadań możliwa jest jedynie przy zapewnieniu komunikacji opartej na magistralach cyfrowych.
Normy ISO wprowadzają podział magistral ze względu na szybkość przesyłu danych:
- ISO 11898 przeznaczona dla aplikacji o dużej szybkości (transmisja do 1 Mbits-1),
- ISO 11519 przeznaczona dla wolniejszych aplikacji (do 125 kbs-1).
Przebieg komunikacji na magistrali sygnałowej pozwala na realizację procesu
optymalizacji parametrów roboczych agregatu przy uzyskaniu jak największej wydajności i
jakości procesu technologicznego. Dalszą ewolucję zapewnią nowsze i szybsze magistrale
„x-by-wire". Pozwoli to na zastąpienie w ciągniku wielu układów mechanicznych i
hydraulicznych układami elektromechanicznymi, wykorzystującymi silniki i siłowniki
elektryczne. Proces ten przyczyni się do zwiększenia szybkości działania poszczególnych
podzespołów i podniesienia ich niezawodności.
W literaturze spotkać można szereg opracowań na temat perspektywicznego rozwoju
standardu ISO 11783 w dziedzinie rolnictwa jako systemu LBS czy systemu ISOBUS
[Fellmeth 2003; Lorencowicz, Jukowski 2006, Jantos, Mamala 2007]. Proponowanym
standardem będzie budowa otwartych systemów a nawet platform informatycznych
wykorzystujących najnowsze technologie informatyczne. Systemy te wykorzystują nawigacje
GPS, światłowody, wirtualne mostki oraz technologię przesyłu informacji Bluetooth.
Identyfikacja protokołu transmisji magistrali CANBUS wraz z adresem urządzenia na
magistrali pozwala na dokonanie obszernych testów i pełnej diagnostyki agregatu. Jednak
zaszyfrowany protokół transmisji CAN przy braku danych zmusza użytkownika do zakupu
gotowych systemów. Dokonanie pełnej identyfikacja transmisji danych umożliwiłoby otwarcie
systemu CAN.
W tym celu w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej
przeprowadzono analizy z wykorzystaniem urządzenia firmy SYS-TEC do identyfikacji
protokołu transmisji magistrali CANBUS [Jantos, Mamala 2007]. Urządzenie to współpracuje
z programem PCANVIEW oraz specjalistyczną nakładką programową CANbus Toolset firmy
Export Control pracującej w środowisku Matlab/Simulink [Mat. inf. ExpertControl 1998].
Ciągniki cechują się dużą różnorodnością stosowanych elementów, z których
zbudowano magistralę CANBUS [Mamala i in. 2008]. Stan ten powoduje, iż magistrale
pomimo pracy według jednego standardu, różnią się szczegółami konfiguracji i nie są w pełni
kompatybilne np. co do poziomu napięcia czy formowania ramki transmisji danych [Jantos,
Mamala 2007]. Urządzenie SYS-TEC przystosowane jest do konwersji różnych poziomów
napięć, a także do oferowanych interfejsów [SYS TEC 2004]. Po zidentyfikowaniu ramki
danych protokołu transmisji magistrali sygnałowej należy dobrać odpowiedni interfejs firmy
SYS-TEC. Dla protokołu transmisji CAN Low Speed jest odpowiedni interfejs SYS-TEC typu
GW-002-010 (transceiver TJA1054) a dla CAN High Speed interfejs typu GW-002 (transceier
82C251) [Jantos, Mamala 2007].
23
Przeglądy serwisowe i procesy diagnostyczne w obrębie każdej marki współczesnych
ciągników prowadzone są z użyciem wyspecjalizowanych testerów i oprogramowania
firmowego. Informacje na temat używanego hardware oraz software stanowią tajemnicę
firmową i są pilnie strzeżone przed upublicznieniem. Tak więc szczegółowe informacje
dostępne są wyłącznie dla pewnej grupy przedstawicieli firm a w wersji uproszczonej
stanowią materiał szkoleniowy dla diagnostów obsługujących przedstawicielstwa serwisowe.
W przypadku serwisu obejmującego większą gamę firm produkujących ciągniki możliwe
jest wykorzystanie testerów o pewnych cechach uniwersalności. Najbardziej znanym tego
typu urządzeniem jest Texa Navigator TXT Agri wraz z oprogramowaniem IDC3 Agri w
polskiej wersji językowej, oraz najnowszej IDC4 Agri w wersji angielskiej. Interfejs
diagnostyczny Navigator TXT Agri podlega podłączeniu do gniazda diagnostycznego
ciągnika poprzez Bluetooth (lub kabel USB) łącząc się z dowolnym komputerem klasy PC po
zainstalowaniu oprogramowania IDC3/4 Agri.
Obsługiwane są następujące typy protokołu: kody błyskowe, CAN ISO 11898 i ISO
15765-4, K-L, ISO9141-2, ISO 14230 (Keyword 2000), SAE J1850 PWM 41.6 Kbps i VPW
10.4 Kbps, ISO11519-2, SAE J1708 - kompatybilne z FMS, EOBD (wszystkie protokoły),ISO
15031-5, ISO 15765-4.
Wg danych producenta urządzenie to dostosowane jest do przeprowadzania procedur
diagnostycznych współczesnych ciągników w takich firm jak: John Deere, New Holland,
Case, Fendt, Krone, Steyr, Same, Deutz-Fahr, Class, Lamborghini, Hurlimann, Landini,
McCormick, Valtra, JCB, Renault, Lavendra [Mat. inf. TEXA Poland].
Możliwość dostępu do procedur diagnostycznych z udziałem sieci informatycznych
ciągnika obejmuje kontrolę układów zasilania silnika, różnorodnych układów przeniesienia
napędu, systemów stabilizacji nadążnej (głównie zawieszenie przednie), elektronicznie
sterowanych TUZ, komputera pokładowego oraz modułów komfortu i klimatyzacji.
Oprogramowanie IDC4 zapewnia łatwość obsługi z dostępem do zasobów
diagnostycznych poprzez wybór typu, marki i modelu ciągnika, silnika i skrzyni biegów.
Oprócz standardowych opcji odczytu i kasowania błędów, podglądu parametrów bieżących,
możliwe jest wykonywanie testu stanu technicznego silnika, testu turbiny (doładowania),
elektrozaworów, oraz wielu innych parametrów zależnych od marki i modelu ciągnika.
Funkcja regulacji pozwala między innymi na: kodowanie wtryskiwaczy, kalibrację sprzęgła w
skrzyniach biegów, kalibrację podnośników [Mat. inf. TEXA Poland]. W oprogramowaniu
IDC4 zawarto również schematy elektryczne odnoszące się do poszczególnych układów
funkcjonalnych ciągnika, karty techniczne podzespołów oraz opisy dotyczące opcji regulacji.
Pewną propozycją opracowania sposobu wymiany informacji w obrębie agregatu bez
konieczności aktualizacji danych w komputerze pokładowym (KP) jest współdziałanie
odrębnej sieci informatycznej zintegrowanej z agregatowaną maszyną. Na wstępie zostają
zapisane parametry sterująco-diagnostyczne danej maszyny. Do realizacji przesyłu danych
zaproponowano wykorzystanie uproszczonych sieci informatyczne LIN (Local Interconnect
Network), ponieważ w większości przypadków ilość przesyłanych danych jest niewielka
[Cieślikowski, Pedryc 2009]. Komunikacja pomiędzy odrębnymi sieciami informatycznymi
powinna odbywać się za pomocą dedykowanej magistrali ISOBUS z niewielką modyfikacją
kodu KP ciągnika. Pełni on rolę panela komunikacyjnego umożliwiającego wprowadzenie
parametrów regulacyjnych maszyny z opcją informowania operatora o stanie niezdolności
agregatu do wykonania zabiegu. Transmisja ograniczona jest wpływem zakłóceń
elektromagnetycznych i nie przekracza 20 kbs-1 [Merkisz, Mazurek 2007]. Prowadzone prace
badawcze w KIMiA UR dotyczyły adaptacji systemu diagnostycznego mechanizmu obrotu
pługa LEMKEN Vari Opal7 współpracującego z ciągnikiem DEUTZ FAHR [Cieślikowski
2009a].
Sieci LIN zostały opracowane w celu połączenia niewielkiej liczby czujników i elementów
wykonawczych oraz jednego nadrzędnego sterownika w magistralę lokalną o uproszczonej
strukturze [Lorencowicz, Jukowski 2006]. Uzyskano eliminację niepotrzebnego obciążenia
magistrali głównej przez urządzenia, które wyłącznie pobierają lub wysyłają informację tylko
w przypadku zapytania przez dany sterownik [Widerski 2005]. Proponowana budowa
24
magistrali LIN stanowiąca uzupełnienie systemu sterująco-diagnostycznego zagregatowanych
maszyn oparta jest na strukturze typu „master-slave” [Cieślikowski, Pedryc 2009].
Sterownik główny „master” zostaje zaimplementowany do systemu sterującego maszyny
wraz z czujnikami i elementami wykonawczymi, które stanowią strukturę podrzędną „slave”.
Sterownik ten przetwarza dane pośrednicząc w transmisji danych z węzłów (z
wyeliminowaną zasadą arbitrażu) i komunikuje się z siecią CAN przez moduł „Getewey”,
który „uzgadnia” ramki danych [Mat. inf. Philips 2004]. Ramka danych w sieci LIN zawiera
klasyczny podział na strefę nagłówka (message header) i odpowiedzi węzła (message
response) [Scott i in. 2004]. Odpowiedź, jako druga część komunikatu może być wysyłana
zarówno z węzła „slave” jak również z węzła „master”. Na wyświetlaczu komputera
pokładowego ciągnika zostaje wyświetlona tylko informacja w przypadku przekroczenia
wartości dopuszczalnych. Pełna diagnoza zapisywana jest w pamięci modułu
wnioskującego, dzięki czemu serwis będzie dysponował danymi o stanie czujników jak
również informacją o wszystkich stanach przeciążenia układów.
Przyznanie przez Związek DLG atestu i uzyskanie certyfikatu dla upowszechnienia
uniwersalnego terminala BASIC TERMINAL (Miller Electronic) zapoczątkowało rozwój
inteligentnych modułów sterujących elektronicznymi i elektrycznymi komponentami agregatu
ciągnik-maszyna z jednego panela wykonawczego. System umożliwia przetworzenie danych
wraz z ich wykorzystaniem do sterowania wszystkimi możliwymi funkcjami maszyny.
Głównymi elementami terminala są: wyświetlacz graficzny o dużej rozdzielczości,
programowane klawisze funkcyjne oraz joystick. Wyposażenie maszyny w komputer
pokładowy pozwala na sterowanie z kabiny ciągnika wszystkimi funkcjami roboczymi
ciągnika. Przy współpracy z terminalem ISOBUS stanowi platformę programową
dostosowaną do potrzeb realizacji zadań Precision Forming z wykorzystaniem odbiornika DGPS współpracującego z układem stałego pozycjonowania maszyny.
Przykładowo, ciągniki CLAAS Arion wyposażone są w terminal CIS (Claas Information
System) (rys. 27). Terminal umożliwia przełączanie automatyki stabilizacji prędkości
roboczej, sterowanie przekładnią Hexashift, progresywne przełączanie funkcji nawrotu
Reversshift, sterowanie procesami roboczymi z funkcją Elektropilot (wielofunkcyjny zestaw
zainstalowany w podłokietniku), funkcje komputera pokładowego (obliczanie powierzchni
roboczej, zużycia paliwa, wydajności powierzchniowej, wskazania terminu przeglądów).
Rys. 27. Terminal sterujący CEBIS zamontowany w kabinie ciągnika CLAAS Arion
[Mat. inf. CLAAS].
Układ ten umożliwił wprowadzenie centralnego sterowania funkcjami roboczymi CEBIS
z szybkim dostępem Direct Acces. Terminal wskazuje w linii menu prędkość roboczą
ciągnika przy prędkości obrotowej wału silnika, informacje definiowane przez użytkownika,
przyporządkowanie klawiszy funkcyjnych, wskazania przełożenia w skrzyni Hexashift,
informacje o funkcjonowaniu układów pomocniczych, wskazania ilości paliwa i temperatury
cieczy chłodzącej silnik.
25
Innym przykładem upowszechnienia centralnego systemu zarządzania TMC (Traktor
Management Centre) jest ciągnik gąsienicowy Challenger MT800B (305-510 kW). Dokonano
rozszerzenia zakresu optymalizacji parametrów roboczych agregatu poprzez wprowadzenie
funkcji monitorowania naciągu pasów gąsienicowych wraz z wizualizacją trybu pracy zespołu
przekładniowego, wykazem szczegółowych parametrów roboczych oraz kontrolą
pozycjonowania podnośnika. Po jednokrotnym ustawieniu przebiegu nawrotu, układ Class
Sequence Management (CSM) zapewnia powtarzalność procesu bez interwencji operatora.
Sterowanie automatyczne obejmuje: przedni i tylny TUZ i WOM, napęd wszystkich kół,
blokady mechanizmów różnicowych oraz nadążne sterowanie tłumieniem drgań przedniego
mostu napędowego. Ponadto układ umożliwia wprowadzenie 6-ciu programów czasowego
sterowania dla wybranych procesów. Zastosowanie CANBUS-Arion z piętnastoma
kontrolerami na magistrali pozwala na zastosowanie nowoczesnych rozwiązań w rodzaju
CSM (rys. 28). Producent podaje wynik skrócenia łącznej długości użytych przewodów
instalacyjnych szacując oszczędność w stosunku do instalacji tradycyjnej na poziomie
1,5 km.
Rys. 28. Schemat strukturalny magistrali sygnałowej CANBUS w ciągniku CLAAS Arion
[Mat. inf. CANBUS-Arion].
W ciągniku gąsienicowym Challenger MT800B (340-510kW) elektroniczne moduły
sterujące pracą silnika, skrzyni Powershift, hydrauliką siłową i stabilizacją zawieszenia
przedniego komunikują się przez sieć Intellitronics wg protokołu CANBUS. Możliwa to
optymalizację i analizę wydajności ciągnika z wykorzystaniem terminala TMC oraz
wykonywanie powtarzalnych zadań za pośrednictwem systemu sterowania One-Touch w
łączności z systemem satelitarnym Auto-Guide wg protokołu ISO 11783. Dla zapewnienia
stałych obrotów silnika (Constant Engine Speed) oraz niezmiennego poziomu mocy na WOM
realizowana jest funkcja w trybie Constant Ground Speer. Wyświetlacz TMC przekazuje
informacje operatorowi w formacie tekstowym oraz w postaci kodów w zakresie:
monitorowania naciągu gąsienic, monitorowania wydajności, zużycia paliwa, informacji
serwisowych, konfiguracji agregatu, nawigacji, systemu One-Touch, systemu Power
Managment, nastawu WOM, TUZ oraz pozycjonowania 6-ciu rozdzielaczy hydraulicznych
(rys. 29).
Zaawansowane systemy sterowania dotyczą ciągników CASE IH z udziałem monitora
AFS PRO 300 lub z niezależnym monitorem AFS PRO 600 z ekranem dotykowym (rys. 30).
Układ sterowania zapewnia automatyzację wszystkich funkcji sterowania zespołem
przeniesienia napędu, łącznie z sekwencją 30-tu operacji na uwrociu a także
sprawozdawczości dla procedur agrotechnicznych z zapisem informacji dotyczących
wykonanych zabiegów, zużycia paliwa, oraz kosztów eksploatacji. Monitorowanie osiągów
dotyczy ogólnej wydajności dziennej oraz wydajności dla poszczególnych zadań
agrotechnicznych. Wszystkie dane można zapisać na dysku przenośnym USB niezależnie
od zapisu w pamięci układu AFS. Po zakończeniu operacji można wydrukować wyniki
dotyczące rozliczenia wykonanych zadań. Monitory AFS pozwalają zaprogramować
parametry hydrauliczne przepływu oleju dla poszczególnych zaworów hydrauliki zewnętrznej.
26
Rys. 29. Centrum zarządzania pracą ciągnika gąsienicowego Challenger
[Mat. inf. MT800B].
Rys. 30. Monitor AFS PRO 300 ciągnika CASE Maxxum
[Mat. inf. CASE IH].
Układ pozwala na zapisanie wartości nastawów dla poszczególnych narzędzi
dedykowanych do przeprowadzenia zabiegu agrotechnicznego. Sprzęgnięcie zestawu i
połączenie układu do magistrali sygnałowej warunkuje rozpoczęcie pracy. Układ wykazuje
pełną kompatybilność z ISOBUS co jest widoczne po podłączeniu testera. Można uzyskać
podgląd interfejsu użytkownika na monitorze AFS, umożliwiając interaktywną obsługę
narzędzia (ekran AFS). W tym przypadku nie ma potrzeby prowadzenia wiązki przewodów
do oddzielnego panela należącego do zestawu zagregatowanego z ciągnikiem. Znacznym
ułatwieniem pracy operatora jest zastosowanie wejścia wideo, co umożliwia uzyskanie
obrazu z kamery zainstalowanej dla monitorowania strefy tylnej agregatu.
Innowacyjne rozwiązanie zastosowano w ciągniku gąsienicowym CASE Qudtrac jako
układ AFS Accu Guide w połączeniu z technologią DGPS, umożliwiający samoczynne
prowadzenie równoległych przejazdów ciągnika po dowolnej trajektorii ruchu (linia prosta,
łuk, spirala).
Wyznaczenie rzeczywistej prędkości roboczej współczesnych ciągników z napędem na
4-koła z uwzględnieniem poślizgu kół napędowych realizowane jest z udziałem pomiaru
radarowego. Przykładowy zestaw nadajnik-odbiornik zainstalowany w strefie układu
przeniesienia napędu ciągnika DEUTZ-FAHR zamieszczono na rys. 31. Pomiar radarowy
poślizgu kół ciągnika z wyświetlaniem wartości mierzonej widoczny jest na wyświetlaczu
27
głównym Infocenter. Przekroczenie poślizgu powyżej 8% powoduje automatyczne włączenie
trybu awaryjnego sterowania podnośnikiem powodując podniesienie narzędzia. Ponowne
opuszczenie ramion podnośnika następuje w przypadku gdy poślizg kół ulega zmniejszeniu
do wartości zaprogramowanej i przebiega bez interwencji operatora.
Rys. 31. Element pomiarowy poślizgu kół napędowych ciągnika DEUTZ-FAHR
[Mat. inf. seria TTV].
5.
Zagadnienia ergonomiczne współczesnych kabin ciągników rolniczych
Producenci ciągników rolniczych prezentują zalety kabin operatorów zwracając uwagę
głównie na aspekt zapewnienia właściwych pól obserwacji stref roboczych. Często
akcentowane jest wykorzystanie kamer dla obserwacji tylnej przestrzeni roboczej.
Prezentowana ocena kabin ciągników w publikacjach o charakterze ergonomicznym zawiera
wiele subiektywnie ustalanych kryteriów o podobnym charakterze jak optymistyczne
stwierdzenia producentów. Podobnie podawane są niskie poziomy hałasu w kabinie bez
zaznaczenia warunków pomiaru i charakteru wartości pomiarowej, które tym samym niewiele
wnoszą do zasad oceny akustycznej kabin. Np. w ciągniku gąsienicowym CASE Steiger 535
w kabinie Survejor poziom hałasu wynosi 75 dB podczas rozwijania pełnej mocy silnika
443 kW.
Obszerną analizę propagacji hałasu w kabinie ciągnika wraz z dokonanym doborem
struktur wyciszeniowych kabiny zaprezentowano w publikacji [Cieślikowski 2010b]. Proces
projektowy kabin dla ciągników rolniczych powinien uwzględniać kryteria akustyczne
odnośnie normatywnego poziomu hałasu w strefie pracy operatora. W przypadku
analizowanego układu występują rozproszone źródła hałasu na różnych rzędnych
wysokościowych cechujące się zróżnicowanym poziomem emisji. Występuje zatem
zróżnicowanie poziomu mocy akustycznej w punktach pomiarowych w strefie silnika i we
wnętrzu kabiny wyznaczony kierunkowością emisji i tworzenia „pola swobodnego”.
Zasadniczym problemem właściwej oceny mocy akustycznej źródeł w analizowanych
warunkach jest zjawisko odbicia fal od ścian kabiny oraz obiektów wyposażenia, przy czym
w bliskiej odległości od ścian poziomy mocy akustycznej fal odbitych i źródła mogą być
równoważne. Wskutek tego ciśnienie akustyczne w punkcie pomiarowym składa się z
ciśnienia wywołanego przez falę bezpośrednio wyemitowaną przez źródło i ciśnienia
wytworzonego przez falę odbitą. Pomiary realizowane w warunkach opisanej struktury
kabiny są zatem pewnym uproszczeniem w stosunku do pełnej oceny poziomu mocy
akustycznej źródeł dźwięku. Przykładowa karta pomiarowa poziomu hałasu w badanej
kabinie ciągnika została przedstawiona na rys. 32. Analizę częstotliwościową przebiegów
czasowych ciśnienia akustycznego wykonano z wykorzystaniem zestawu aparatury:
magnetofonu pomiarowego NABRA IV-SJ, analizatora częstotliwości Bruell-Kjaer BK 2133 o
stałej szerokości pasm od poziomu oktawy do 1/24 oktawy [Cieślikowski 2010b].
28
Rys. 32. Karta pomiarowa widma hałasu w strefie środkowej szyby przedniej
w kabinie ciągnika 5312/14/E [Cieślikowski 2010b].
Wprowadzenie struktur absorpcyjno refleksyjnych w obszarze źródeł emisji, powoduje
ograniczenie emisji kierunkowej przez składową izolacyjności akustycznej Rw w znacznym
stopniu ograniczając składową refleksyjną. Dobór izolacyjności akustycznej zabezpieczeń
przeciwhałasowych powinien podlegać analizie amplitudowo-częstotliwościowej hałasu
emitowanego przez silnik ciągnika i zespól przeniesienia napędu oraz powinien być poparty
obliczeniami akustycznymi i modelowaniem propagacji hałasu w kabinie. Wybór struktur
izolacyjnych powinien być realizowany wyłącznie w odniesieniu do wyników ich atestacji w
komorach akustycznych (rys. 33) [Cieślikowski 2010b].
Rys. 33. Karta katalogowa atestacji struktury izolacyjnej kabiny ciągnika [Cieślikowski 2010b].
Często stosowanym standardem jest przykładowa kabina ciągnika NEW HOLLAND
T6000 wyposażona w klimatyzację oraz układ tłumienia drgań Comfort Ride. Całkowite
oszklenie kabiny Horizon o zaokrąglonych powierzchniach szyb jest szczególnie istotne
podczas funkcji pracy z ładowarką czołową. Każda wersja ciągnika wyposażona jest w 3
dodatkowe reflektory oraz 4 reflektory tylne dachowe wraz z zestawem 4-ech lamp
czołowych o dużym natężeniu HID. Opcjonalnie można zamówić wersję obniżoną kabiny do
prac wewnątrz obiektów budowlanych.
W ciągniku gąsienicowym Challenger MT 865B o mocy 510 kW dostępny jest fotel
Sears-Air 2000 z półaktywnym zawieszeniem. Analizę procesu drganiowego wraz z
możliwością stosowania aktywnych układów tłumienia drgań fotela operatora ciągnika
zamieszczono w opracowaniu [Cieślikowski 2007, 2009b].
Częstym rozwiązaniem jest stosowanie układów nadążnego tłumienia drgań kabiny.
Elementy składowe takiego układu zastosowanego w ciągnikach DEUTZ FAHR zostały
29
przedstawione na rys. 34. Zawieszenie pneumatyczne kabiny wprowadza w tym przypadku
możliwość regulacji procesu tłumienia drgań przy amplitudzie +/-40 mm o charakterystyce
progresywnej.
Rys. 34. Elementy układ tłumienia drgań kabiny ciągnika DEUTZ FAHR TTV 620
[Mat. inf. DEUTZ FAHR].
Specjalistycznym rozwiązaniem jest przystosowanie kabiny TwinTrac do pracy w obu
kierunkach stosowanej w ciągniku VALTRA. Operator może obrócić fotel o 180o bez
konieczności wstawania z fotela. Powtórzone zostały niektóre podstawowe manipulatory
(rys. 35). Elektrohydrauliczny podnośnik umieszczony w tylnej części ciągnika
przystosowany jest do współpracy z wyposażeniem przeznaczonym do realizacji cięższych
prac przy zachowaniu lepszej manewrowości i widoczności strefy roboczej.
Rys. 35. Kabina ciągnika typu TwinTrac stosowana w ciągnikach VALTRA
[Mat. inf. VALTRA].
Współczesne kabiny ciągników wykazują zasadniczo zmodyfikowany system nawiewów
wewnętrznych przy wysokiej wydajności układu wentylacji. Przykład poprawnego
rozwiązania przedstawia schemat rozmieszczenia i kierunków nawiewu w kabinie ciągnika
DEUTZ FAHR (rys. 36) [Mat inf. modelu TTV]. W tym przypadku przy rozmieszczeniu 12-tu
dysz nawiewowych wprowadzono cztery stopnie prędkości obrotowej wentylatora
nadmuchowego zapewniając wydajność 580 m3h-1. Zasysanie powietrza przebiega z wlotów
na słupkach kabiny zabezpieczonych filtrami o dużej zdolności wychwytu zabezpieczeń.
Możliwe jest również zapewnienie obiegu wewnętrznego powietrza w kabinie.
30
Rys. 36. Kierunkowość nadmuchu w układzie wentylacji kabiny
[Mat. inf. DEUZ FAHR].
Prace badawcze z tego zakresu prezentują problematykę skutecznej filtracji cząstek
zapylenia jak również dokonują oceny składu granulometrycznego pyłu zawartego w
powietrzu wnikającym do systemu filtracji powietrza, kierowanego do kabiny operatora w
trakcie realizacji prac polowych. Publikacje nawiązują do wcześniejszych prac obejmujących
modyfikację multicyklonowych filtrów powietrza w układzie dolotowym silników ciągników i
kombajnów rolniczych [Cieślikowski 1996]. Przeprowadzone obserwacje kształtu cząstek
zapylenia konimetrem Zeissa wykazały znaczny udział objętościowy frakcji 5-35 µm.
Dokonano modyfikacji położenia czerpni układu wentylacji kabin wprowadzając strukturalne
wkłady wykonane z prasowanych włókien poliestrowych z przekładką z warstwy węgla
aktywnego a także wykazano konieczność stosowania przedfiltra z ciętych włókien
perlonowych [Cieślikowski 2005].
6.
Modyfikacje układu zawieszenia przedniego mostu ciągnika kołowego oraz układu
jezdnego ciągnika gąsienicowego
Poprawa parametrów trakcyjnych ciągnika wynika również z wprowadzenia w moście
przednim przegubów homokinetycznych przystosowanych do pracy przy kącie załamania 52o
(DEUTZ-FAHR TTV620). Przegubowe ramy ciągnika wyposażane są w przegub na osi
podłużnej ciągnika (CASE Steiger 535). W ciągniku tym zastosowano przegub skrętny w
kierunku wzdłużnym ramy w zakresie 13o z równoczesną możliwością wychylenia kątowego
ramy w rzucie poziomym o kąt 42o w lewo i prawo.
Zaznacza się tendencja upowszechnienia zawieszenia hydrauliczno-pneumatycznego
przedniego mostu ciągnika z możliwością blokowania pozycji zawieszenia (DEUTZ-FAHR
TTV620). Układ został wyposażony w dwa cylindry hydrauliczne i akumulatory o poj.1,4 l i
0,7 l (rys. 37). Wprowadzono progresywny charakter tłumienia amplitudy i przyspieszeń
drgań.
Rys. 37. Zawieszenie hydrauliczno-pneumatyczne ciągnika
[Mat. DEUTZ FAHR TTV620].
31
Podobnie ciągnik NEW HOLLAND T6000 posiada układ tłumienia wychyleń osi
przedniej Terraglide. Wersja T6000Delta cechuje się skrętem zwrotnic o kąt 55o, co
umożliwia wykonanie skrętu ciągnikiem przy promieniu 4,04 m (bez używania hamulców).
Również modele 6930 JOHN DEERE i CASE Maxxum zostały wyposażone w system
TLS, aktywnej amortyzacji przedniej osi przedstawionych na schematach - rys. 38 i 39.
Rys. 38. Dwie wersje układu zawieszenia aktywnego przedniego mostu TLS (Triple Link
Suspension) ciągnika JOHN DEERE serii 7030 i 6930 wraz z półosią napędową
wyposażoną w zdwojony przegub krzyżakowy
[Mat. inf. JOHN DEERE].
Rys. 39. Amortyzowany przedni most napędowy ciągnika CASE Maxxum
[Mat. inf. CASE IH].
32
Blokada mechanizmu różnicowego realizowana jest z udziałem wielotarczowych
sprzęgieł sterowanych elektrohydraulicznie. Częstym przypadkiem jest stosowanie układu
skrętnego błotników przednich kopiujących nastawy trapezu układu kierowniczego kół
przednich ciągnika (rys. 40).
Rys. 40. Układ skrętny błotników przednich ciągników
[Mat.inf. DEUTZ-FAHR TTV620 i CASE Maxxum].
Zawieszenie TLS (Triple Link Suspension) JOHN DEERE serii 7030 o mocy 218 kW z
układem „inteligentnego zarządzania mocą” wyposażone jest również w układ tłumienia
drgań. Wzmocniona konstrukcja mostu ciągnika umożliwia montaż dużych kół o rozmiarze
43 i 48. Piasty kół jezdnych posiadają wbudowane zwolnice planetarne.
W przypadku klasycznych skrzynek przekładniowych wyposażanych przystawkę skrzyni
rozdzielczej stosuje się mechanizm sprzęgieł jednokierunkowych NoSpin rozdziału mocy.
Zasadnicze modyfikacje zaistniały w układzie gąsienicowym ciągnika Challenger
MT800B (340-510 kW) wraz z wprowadzeniem system Mobil Trac (dla rozstawu osi
3000 mm) z możliwością szybkiej zmiany rozstawu gąsienic (bez luzowania napinacza) w
zakresie rozstawu od 2286 do 3251 mm. Zawieszenie gąsienic Opti-Ride umożliwia płynną
jazdę w warunkach prac roboczych przy zastosowaniu 4-ech niezależnie zawieszonych kół
jezdnych gąsienicowych (rys. 41).
Rys. 41. Układ jezdny ciągnika gąsienicowego MT800B
[Mat. inf. Challenger].
33
Zespoły lewej i prawej strony są niezależnymi układami jezdnymi wyposażonymi w
aktywny system tłumienia amplitudy wychyleń Marsh Mellow. Innowacyjnym rozwiązaniem
jest wbudowane ramię reakcyjne w układzie jezdnym, co umożliwia niezależne napinanie
każdego pasa gąsienicowego (do 111,2 kN). Wprowadzono wzmocnienie pasa
gąsienicowego w postaci czterech warstw kordu stalowego zwiększając odporność na
działanie sił wzdłużnych rozciągających. Koło gąsienicowe przednie pełniące funkcje koła
napinającego (o średnicy 940 mm) zostało pokryte gumą w celu ograniczenia wibracji
gąsienicy.
W ciągniku gąsienicowym, przegubowym CASE Quadtrac (rys. 42) zastosowano cztery
niezależnie zawieszone układy jezdne gąsienicowe w rozstawie osi 3,91 m, jak również
zastosowano przegub skrętny wzdłużny ramy w zakresie 13o przy wychyleniu kątowym o kąt
42o w lewo i prawo zapewniając promień skrętu ciągnika równy 5,7 m. Powierzchnia styku
gąsienic z podłożem wynosi 5,6 m2.
Rys. 42. Schemat wahliwego systemu zawieszenia gąsienic w ciągniku CASE Quadtrac
[Mat. inf. CASE IH]
Zaznacza się niewielki udział publikowanych prac z zakresu teorii ruchu ciągnika i
agregatu ciągnikowego. Znaczącą pozycją jest publikowana metoda symulacji zachowań
dynamicznych agregatów w aspekcie kryterium stateczności i poprawy bezpieczeństwa
ruchu ciągnika zarówno w procesach roboczych jak również w pracach transportowych
[Szczepaniak 2008]. Dokonano w niej analizy zagadnień teorii ruchu ciągnika w aspekcie
dynamiki maszyny rolniczej zagregatowanej z ciągnikiem poruszających się po różnorodnym
podłożu o zmiennych cechach fizycznych. Opracowane modele ruchu agregatu
ciągnikowego wskazują na możliwość uzupełnienia etapów projektowania maszyn we
wczesnym etapie prac z przeprowadzeniem symulacji, zanim zostaną opracowane
szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne. Wprowadzono uogólnienia w zapisie formalnym
kierowalności i stateczności ciągnika. Istnieje możliwość wykorzystania symulacji do oceny i
kształtowania bezpieczeństwa ruchu ciągnika rolniczego. Aspekt bezpieczeństwa ruchu
przejawia się głównie przez pojęcie stabilności ruchu z rozgraniczeniem stateczności i
kierowalności pojazdem. Matematyczna analiza stabilności w odniesieniu do typowych
modeli opisujących dynamikę pojazdu wymagała opracowania układu równań różniczkowych
opisujący model o siedmiu stopniach swobody odnoszących się do agregatu: ciągnik maszyna. Dało to podstawę do zaprezentowania ogólnej metody wyprowadzania równań
ruchu dla modelu strukturalnego agregatu. Zmieniając parametry w zakresie dopuszczalnym
dla stabilności ruchu agregatu można modelować zmiany własności trakcyjnych agregatu,
ułatwiając w ten sposób podjęcie decyzji konstruktorowi odnośnie doskonalenia konstrukcji w
fazie wstępnej procesu projektowego. Aspekt ten wyznacza utylitarny charakter opracowania
jako narzędzia rozwiązywania problemów konstrukcyjnych ciągników rolniczych.
34
7.
Układ hydrauliki siłowej ciągnika – modyfikacje TUZ oraz WOM
Współczesne ciągniki wyposażane są w układ hydrauliczny z otwartym lub zamkniętym
przepływem oleju a także w układ load sensing (z kompensacją ciśnienia i wydatku)
[Chałamoński 2000, Dreszer, Kwiecień 2001]. Korzystniej postrzegany jest ostatni system, w
którym wydatek i ciśnienie oleju podlegają regulacji w zależności od potrzeb. Ciągnik NEW
HOLLAND T6000 Delta posiada dwie niezależne pompy hydrauliczne – główna zaopatruje
TUZ, zdalne zawory oraz zawór ładowarki. Druga pompa zasila układ kierowniczy.
Niezależne pompy umożliwiają realizację równoczesną funkcji ładowarki i wykonywania
manewrów. Współczesne znormalizowane szybkozłącza hydrauliczne (końcówki EURO)
stanowią zwykle problem agregatownia starszych typów maszyn z nowoczesnym ciągnikiem.
Rynek krajowych producentów oferuje asortyment tzw. „przejściówek” dla przyjętego
typoszeregu maszyn. Podobny problem występuje w przypadku TUZ-u dla zróżnicowanych
średnic otworów do zainstalowania przegubów, zróżnicowanych wymiarów i kształtu cięgna
górnego od strony narzędzia a także różnych wymiarów osi zawieszenia.
Rozbudowana forma hydrauliki zewnętrznej ciągnika widoczna jest na przykładzie
ciągnika NEW HOLLAND T6000 Delta wyposażonego w 3 zdalne przyłącza hydrauliczne i 2
pomiędzy osiami (podłączenie ładowarki). Ponadto upowszechnia się system nadążny
tłumienia drgań układu TUZ w przypadku przekroczenia prędkości 8 km/h (DEUTZ FAHR
TTV620).
W ciągnikach CASE zastosowano system elektronicznej kontroli siłowej podnośnika
(EHC) zapewniając automatyczną regulację podnośnika w funkcji obciążenia (rys. 43).
Zmianę zastawów przeprowadza się na panelu ICP zintegrowanym z podłokietnikiem (model
Maxxum Multicontroller). Również w tych ciągnikach zastosowano układ nadążnej
amortyzacji drgań i stabilizacji zawieszenia narzędzi [Lang i in. 1998]. Wprowadzono
elektroniczne sterowanie zaworów hydrauliki zewnętrznej w zakresie natężenia przepływu
oleju oraz czasowej charakterystyki nastawu rozdzielaczy hydraulicznych (programowanie z
panela Multicontroller).
Producent ciągników NEW HOLLAND wprowadził w modelu T6000 Delta układ
mechanicznej kontroli zagłębienia narzędzia Flexion Bar bazujący na odczycie
pozycjonowania dolnego ramienia podnośnika. Układ kontrolny skonfigurowany jest z
panelem Lift-O-Matic umożliwiając podnoszenie i opuszczanie narzędzia na zadaną
wysokość przy sterowaniu za pomocą jednego przełącznika.
Eksploatowane w Polsce maszyny dostosowane są do TUZ II lub III generacji wg normy
ISO (kat. II – rozstaw 825 mm, kat. III – 965 mm). Obie generacje TUZ różnią się też
wewnętrzną średnicą kul w cięgnach dolnych. Dla II generacji średnica wynosi 28,7 mm, a
dla III – 37,4 mm. Stosowany jest obecnie we współczesnych ciągnikach zaczep kulowy K80
dostosowany do sprzęgu nowej generacji maszyn.
Rys. 43. Rozbudowany system tylnego TUZ w ciągniku CASE Maxxum
(możliwość wyposażenia również w czołowy podnośnik Kat.III o udźwigu 3,7T)
35
Układy hydrauliki siłowej współczesnych ciągników cechują się znacznym wydatkiem
oleju oraz liczbą rozdzielaczy. Przykładowo, w ciągniku Challenger MT800B wydatek układu
hydraulicznego wynosi 223 l.min-1 (6 rozdzielaczy). W ciągniku CASE Steiger 535 uzyskano
wysoką wydajność hydrauliki 216 l.min-1 z wykorzystaniem pompy osiowo-tłoczkowej.
Wyposażono także ciągnik w zewnętrzne złącza Power Beyond. TUZ tego ciągnika posiada
udźwig 8,943T z możliwością opcjonalnego wyposażenia w ładowacz czołowy LRZ.
Elektroniczny układ sterowania włączaniem WOM ciągnika NEW HOLLAND T6000
Delta zawiera mokre wielotarczowe sprzęgło z automatycznym układem płynnego startu przy
zachowaniu znormalizowanych prędkości obrotowych WOM: 540, 540E i 1000 min-1 (również
prędkość „zależna”).
System EHR - elektrohydraulicznej regulacji mechanizmu podnoszenia, zintegrowany
jest z zespołem TUZ przednim i tylnym. Najnowsza generacja EHR-C ciągników FENDT
podlega sterowaniu z wykorzystaniem magistrali sygnałowej z zaimplementowanym
systemem diagnostyki on-line. Wybór menu EHR następuje poprzez terminal ciągnika i
obejmuje szczegółowe ustawienia wysokości podnoszenia oraz szybkości opuszczania.
Możliwy jest wybór trybu mieszanego regulacji ustawień w układzie zależnym
pozycjonowania i doboru siły wydźwigu. Wartości wybranych nastawów prezentowane są w
sektorze wyświetlacza terminala.
Funkcje podnoszenia i opuszczania z udziałem systemu ASD dostępne są w ciągniku
DEUTZ- FAHR TTV620. Przyciski oznaczone kolorem zielonym umieszczone są w panelu
Power ComV podłokietnika (rys. 44). Układ sterowania zapewnia regulację siłową,
pozycyjną, MIX - przy wprowadzeniu ogranicznika wysokości podnoszenia i regulacji
prędkości opuszczania wraz z amortyzacją drgań narzędzia przy prędkości powyżej 8 kmh-1.
W przypadku gdy poślizg kół napędowych (pomiar czujnikiem radarowym) przewyższa
wartość 8% następuje generowanie sygnału do układu wydźwigu narzędzia. Dystrybutory
hydrauliczne zapewniają kontrolę elektroniczną czasu przepływu oleju przy uwzględnieniu
sekwencyjnego trybu pracy elektro-rozdzielaczy hydraulicznych sterowanych elektronicznie.
Układ Power Beyond przeznaczony jest do współpracy ciągnika z maszynami posiadającymi
własny dystrybutor oleju Load Sensing z zapewnieniem bezpośredniego przepływu oleju z
maksymalna wydajnością 120 l h-1.
Obecnie stosuje się powszechnie w ciągnikach zaczepy standardowe typu Sauerman o
średnicy sworzni 38 mm wraz z wyposażeniem w belkę oscylacyjną dla maksymalnego
obciążenia pionowego 3T (rys. 45).
Rys. 44. Panel PowerComV sterowania układem EHR (kolor zielony)
ciągnika DEUTZ- FAHR TTV620 wraz z dystrybutorami hydraulicznymi
(kolor niebieski) i układem Power Beyond (zaznaczony okręgiem)
[Mat. inf. DEUTZ-FAHR]
36
Rys. 45. Zaczep standardowy automatyczny typu Sauerman
oraz zestaw wymiennych końcówek WOM
Producenci ciągników przyjmują znormalizowany zakres prędkości obrotowych WOM tj.
540/540E/1000 wraz z upowszechnionym zestawem przełączników na błotnikach ciągnika
znajdujących się w grupie przycisków przeznaczonych do sterowania podnośnikiem. Wersja
ekonomicznego napędu WOM 540E oznacza, iż układ funkcjonuje przy 1546 obrmin-1 silnika
(obniżenie o 20%) co przekłada się na 20% oszczędność zużycia paliwa. System „miękkiego
startu” w trakcie uruchamiania napędu wprowadzono w celu ograniczenia przeciążeń
mechanicznych i uniknięcia nadwyżek ciśnienia dynamicznego w układzie hydrauliki siłowej.
Również w ciągnikach DEUTZ FAHR wprowadza się akumulatory ciśnienia nawet w strefie
przedniego podnośnika (udźwig 4T) (rys. 46).
Rys. 46. Akumulator ciśnienia stosowany w układzie
hydrauliki siłowej przedniego podnośnika
[Mat. inf. DEUTZ FAHR TTV620]
Prace badawcze ukierunkowane na problematykę analizy procesu dynamicznego w
układzie hydrauliki siłowej ciągnika wykazały, iż przy wysokim ciśnieniu roboczym i
przesterowaniu elektro-rozdzielacza pojawia się zjawisko uderzenia hydraulicznego,
powodując stopniowe niszczenie elementów instalacji hydraulicznej [Cieślikowski 2009a].
Badania przeprowadzono przy zagregatowniu ciągnika DEUTZ FAHR TTV610 z pługiem
obrotowym LEMKEN Vari-Opal 7 po zainstalowaniu bezinercyjnego przetwornika ciśnienia
MBS-3000 DANFOSS na wyjściu z rozdzielacza hydraulicznego. Sygnał z mostków
37
pomiarowych przetwornika ciśnienia oraz potencjometru kierowany był do karty pomiarowej
PC-LabCard typu PCL-818L a następnie do komputera wyposażonego w oprogramowanie
Dasy-Lab 6.0. Wynikiem dokonanych analiz jest parametryzacja procesu udaru
hydraulicznego z oceną celowości stosowania tłumików nadwyżek dynamicznych ciśnienia w
układzie (rys. 47). Zakres pracy obejmował badania obiektu rzeczywistego w stanach
obciążeń roboczych z analizą przebiegów dynamicznych ciśnienia w zakresie parametrów
amplitudowo-częstotliwościowych sygnału. Dokonano prognozowania stanu technicznego
układu hydrauliki siłowej opracowując model regresyjny typu: parametr sygnału
diagnostycznego w funkcji ilości cykli roboczych dokonując analizy trendu zmiany parametru.
200
ciśnienie [bar]
180
kąt [rad]
P [bar]
położenie kątowe [rad]
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20 0
1
2
3
4
5
6
7
t [s]
Rys. 47. Charakterystyki czasowe przebiegu ciśnień roboczych w układzie hydrauliki
Siłowej ciągnika DEUTZ FAHR TTV610 przy zmianie pozycjonowania
pługa LEMKEN Vari -Opal7 [Cieślikowski 2009a].
Podatność diagnostyczna układu hydraulicznego stanowiła podstawę dla dokonania
selekcji metod diagnozowania oraz wyboru sygnałów diagnostycznych. W wyniku dokonanej
analizy zaproponowano ocenę parametryczną zapisanych zmiany parametrów
diagnostycznych badanego układu w funkcji czasu. Zapas resursu obiektu odniesiono do
zmierzonych wartości parametru z uwzględnieniem wartości granicznych.
8.
Podsumowanie
Przestawiony zarys trendów rozwojowych ciągników rolniczych na tle analiz i badań
będących przedmiotem publikacji naukowych, odniesiony został do głównych symptomów
wyrażających zdaniem autora, innowacyjność tej branży przemysłu. Podana problematyka w
obrębie rozwoju układów funkcjonalnych ciągników stanowi niezbędne kompendium wiedzy
pomocnej w dokonaniu oceny porównawczej współczesnych modeli ciągników w aspekcie
ich cech użytkowych, ułatwiając nabywcy wybór adekwatnego do potrzeb modelu ciągnika.
Przedstawione przykłady nowatorskich rozwiązań skupione są w obrębie głównych
producentów ciągników, co świadczy o dokonanym podziale rynku technologii
innowacyjnych. Na tym tle zaobserwować można wzrastające znaczenie i popularność
krajowych producentów ciągników, takich firm jak PRONAR czy URSUS, wprowadzających
nie tylko licencyjne standardy konstrukcyjne lecz również własne rozwiązania warunkowane
potrzebami lokalnego rynku sprzedaży.
Zwracając uwagę na wysoki stopień złożoności podzespołów ciągnika oraz ich
współdziałanie w procedurach pokładowych sieci informatycznych, starano się wykazać
wysoki zakres nowoczesności współczesnych ciągników na tle odniesień do ogólnych
trendów rozwojowych pojazdów. Użytkownik współczesnego ciągnika rolniczego powinien
wykazać przygotowanie techniczne do obsługi złożonego środka technicznego z
zaimplementowanymi procedurami roboczymi, zdając sobie sprawę z potrzeb dokonywania
38
przeglądów technicznych, kontroli diagnostycznych i napraw z wykorzystaniem
specjalistycznego oprogramowania. Tak więc do kart historii przeszły procedury obsług
własnych ciągnika w warunkach warsztatu wyposażonego w podstawowe narzędzia,
podobnie jak wiedza operatora stanowiąca często poziom uśrednionych wymogów
motoryzacyjnych.
W opracowaniu zasygnalizowano jedynie główne kierunki prac badawczych
realizowanych przez jednostki naukowe, ograniczając zakres ich prezentacji. Podobnie
został pominięty obszar prac autora z dziedziny wieloparametrowej kontroli trakcji ciągnika
rolniczego w systemie on-line.
9.
Literatura
Aitzetmuller H. 1999: Steyr S-Matic – the future continuously variable transmission for all
terrain vehicles. 13-th International Conference of the ISTVS, Munich, September 1417.
Bowersox D.J., Closs D., Cooper M.B. 2009: Supply Chain Logistics Management, 3rd ed.
McGraw-Hill, New York, ISBN 0-07-337787-2.
Chałamoński M. 2000: Diagnozowanie układów hydraulicznych maszyn rolniczych. Wyd.
Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy.
Cieślikowski B. 1996: Filtracja cząstek zapylenia w multicyklonie filtra Gf-7.60 Zeszyty
Naukowe AR Kraków nr 311, s. 79-87.
Cieślikowski B. 2005: Zagadnienia procesu wentylacji kabiny kombajnu rolniczego. Inżynieria
Rolnicza 6(66), s. 85-90.
Cieślikowski B. 2007: Procesy drganiowe w diagnostyce maszyn rolniczych – monografia.
Kraków.
Cieślikowski, B., Pedryc N. 2009: Koncepcja nadzoru nad maszynami przez komputer
pokładowy ciągnika w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem magistrali sygnałowej
LIN. Inżynieria Rolnicza 9(118).
Cieślikowski B. 2009a: Proces diagnostyki układu hydrauliki siłowej w mechanizmie obrotu
pługa. Inżynieria Rolnicza 9(118), s. 23-27.
Cieślikowski B. 2009b: Modelling of the vibration damping in an operator’s seat system.
TEKA kom. Mot. Energ. Roln. – OL PAN, 9, s. 24-31.
Cieślikowski B., Jakóbiec J. 2010a: Modyfikacja właściwości użytkowych biopaliw w aspekcie
zagadnień eksploatacyjnych pojazdów rolniczych, Inżynieria Rolnicza 19(88).
Cieślikowski B. 2010b: Protection of farm tractor operator against engine noise emission.
Rozdział w monografii „Diesel engines – new challenges”. Polskie Towarzystwo
Naukowe Silników Spalinowych, Radom, s. 9-19.
Cieślikowski B. 2011: Spectral analysis of deposits from a catalytic converter of Diesel
engine. Kongres Polskiego Towarzystwa Silników Spalinowych; Combustion Engines
– Scientyfic Magazine, 3(146).
Dreszer K., Kwiecień S. 2001: Elementy i układy hydrostatyczne w maszynach rolniczych,
Wyd. WAR Lublin.
Dzieniszewski G. Piekarski W. 2006: Wybrane problemy zasilania silników Diesla nisko
przetworzonym olejem rzepakowym. Eksploatacja i Niezawodność. nr 3, s. 58-65
Fellmeth P. 2003: CAN-based tractor – agricultural implement communication ISO 11783,
CAN Newsletter, September, s. 6.
Francik S. 2009: Metoda oceny nowoczesniści techniczno–konstrukcyjnej ciągników
rolniczych wykorzystująca sztuczne sieci neuronowe. Cz. I. Założenia i metody.
Inżynieria Rolnicza 9(118), s. 41-47.
Jakóbiec J, Ambrozik A. 2007: Badania FAME w zakresie oceny właściwości
fizykochemicznych i użytkowych. III Konferencja Naukowa EKOENERGIA, Akademia
Rolnicza w Lublinie, Instytut Agrofizyki PAN – Lublin – Krasnobród.
Jantos J., Malama J. 2007: Identyfikacja protokołu transmisji magistrali CAN w pojazdach
rolniczych. Inżynieria Rolnicza 6(94). s. 57-63.
39
Juściński S., Piekarski W. 2009: Naprawy pogwarancyjne ciągników rolniczych jako element
autoryzowanego serwisu dystrybucji. Inżynieria Rolnicza 8(117), s. 23-30.
Kern Ch., Widmann B., Wilharm T. 1998: Standarisation of Rape Seed Oil as a Fuel in
Adapted
Diesel Engines: Proceedings of the International Conference “Biomass for Energy and
Industry”, Wurzburg.
Kruczyński D; Jakóbiec J. 2004: Wpływ zasilania silnika AD3.153 UR różnymi paliwami na
parametry i wskaźniki cyklu pracy. 30-th Intrnational Scientific Conference on
International Combusion Enginees – KONES, Kraków - Zakopane.
Lang T. Romer A. Seeger J. 1998: Entwicklungen der Hydraulik in Traktoren und
Landmaschinen - Olhydraulik und Pneumatyk, s. 4-22.
Lorencowicz E., Jukowski M. 2006: Standardy komunikacji i przesyłu danych w maszynach
rolniczych. Rolniczy Przegląd Techniczny 9. ISSN 15078701.
Mamala J, Jantos J, Augustynowicz A. 2008: Diagnostyka predykcyjna ciągników rolniczych,
Inżynieria Rolnicza 5(103).
Mars D. 2003: CANBUS Networks – Break into mainstream use controller-area-network
protocol, The University of Liverpol. [Dostęp: 17-01-2010]. Dostępny w Internecie:
http://www.liverpool.ohecampus.com/
Materek D. 2008: Analiza wybranych właściwości trakcyjnych ciągnika John Debre 7720.
Inżynieria Rolnicza 5(103), s. 126-130.
Merkisz J., Mazurek S. 2007: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych.
WKŁ. s. 1-32.
Merkisz J. 2010: Tendencje rozwojowe silników spalinowych maszyn i agregatów rolniczych.
Technika Rolnicza, Ogrodnicza, Leśna 2, s.
Pawlicki T., Feder S. 2008: Międzynarodowe Targi Mechanizacji Rolnictwa „Polagrapremiery”. [Dostęp: 17-01-2010]. Dostępny w Internecie:
http://www.pimr.poznan.pl/trol2_2008/PF_2_2008.pdf
Pohlenz J. 1999: The New comtinuously variable ZF Eccom Tractor Transmission. 13-th
International Conference Conference of the ISTVS (Munich, Germany, September, s.
14-17.
Rokosz U. 2007: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne
samochodów. WKiŁ Warszawa.
Scott A. Shearer, Timothy S. Stombaugh, Matthew Veal, Matthew Darr, Carl R. Dillon. 2004:
Precision Agriculture: CAN-Based Precision Seed Placement, Kentucky Agricultural
Experiment Station, University of Kentucky, s. 8.
Seeger J. 2001: Wirkungsgraduntersuchung des Systems „Dieselmotor-Leistungsverzweigtes Getriebe. Olhydraulik und Pneumatyk, 10, s. 42.
Sharma A.K., Pandley K.P. 2001: Matsching tyre size to weight, speed and power available
for maximus pulling ability of agricultural tractors. Terramech, Vol./ 2, s. 88-97.
Szczepaniak J. 2008: Symulacja zachowań dynamicznych maszyn rolniczych z
uwzględnieniem kryterium stateczności dla potrzeb bezpieczeństwa ruchu. Rozprawa
habilitacyjna. Wyd. Inżynierii Rolniczej.
Szlachta Z. 2002: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKiŁ,
Warszawa.
Szydelski Z. 1999: Analiza możliwości zastosowania napędów hydrostatycznych jazdy do
ciągników rolniczych. Konferencja Naukowo-Techniczna „Napędy i sterowanie
hydrauliczne”. Wrocław - Polanica Zdrój.
Weissbach M. 2001: Neue Reifkonzepte zur Bodenschonung. Landtechnik 56. N. 2. s. 71
Widerski T. 2005: Samochodowe sieci informatyczne. Poradnik Serwisowy. Nr 5. ISSN 16434609.
Vunk C.T. 2006: Electric Turbo Compound - A Technology Who’s Timke HasCome. John
Deere Technical Center 24 Aug.
Żebrowski J. 2002: Analyse der Leistungsverteilung im Power-Shift - Wechselgetriebe vom
Ackerschleppern John Deere 7000. XIV Polisch-German Seminar: Development
40
Trends in Design of Maschimes and Vehicles. TU Warschau FH Koln (UASC), s. 814.
Żebroski J., Żebrowski Z. 2005: Porównanie wpływu skrzynek biegów Powershift i
hybrydowych na właściwości trakcyjne ciągnika. Wydawnictwo Motoryzacja i
Energetyka Rolnictwa MOTROL 7.
10. Materiały informacyjne
ExpertControl. 1998: Dokumentacja techniczna, Biuletyn elektroniczny firmy ExpertControl
GmbH– Materiały serwisowe, Germany 1998-2003, s.6
Philips. 2004: Philips Semiconductors. CAN Transceiver Application Note AN96116, Biuletyn
elektroniczny firmy Philips – Materiały serwisowe, s. 15.
SYS TEC 2004: USB-CANmodul GW-002 Systems Manual Edition, Biuletyn elektroniczny
firmy SYS TEC electronic GmbH – Materiały serwisowe, s.30
Scandic Diesel Services Inc. 6360 Notre Dame East-Montreal, Quebec H1N 2E1, TEXA
Poland
TEXA Poland - Texa Nawigator TXT Agri.
11. Materiały informacyjne producentów ciągników
John Deere, New Holland, Case IH, Fendt, Krone, Steyr, Same, Deutz-Fahr, Class,
Lamborghini, Hurlimann, Landini, McCormick, Valtra, JCB, Renault, Lavendra Pronar,
Ursus, Valtra, Massey Ferguson.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE
41