Ekspertyza
Transkrypt
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