Nakládací prostředky a jejich význam

Vzhledem ke specifickým podmínkám, ve kterých probíhá zemědělská výroba, a k jejímu charakteru ovlivňují manipulační operace v zemědělství výrobní proces více než v jiných odvětvích hospodářství. Manipulace s materiálem zabezpečuje pohyb a skladování materiálu ve všech činnostech zemědělského podniku. Každá oblast má své specifické požadavky jak na technické prostředky, tak i na způsob organizace manipulačních prací.

Tlak na snižování výrobních nákladů vede ke snahám neustále zlepšovat technické prostředky používané ve výrobním procesu. Tyto obecné tendence se stále výrazněji projevují také v zemědělství. Zlepšují se konstrukční, exploatační i energetické parametry používané techniky. Důsledkem toho je nárůst produktivity práce a snižování nákladů na jednotku vyrobeného produktu. Změny v konstrukčním řešení strojů a zařízení používaných při pracovních operacích (především zvyšování jejich výkonnosti) logicky vyvolávají potřebu změn i v ložných operacích.
Často se při hodnocení manipulačních procesů uvádí součinitel nakládky. Ten charakterizuje, kolikrát je nutno v průběhu výrobního procesu určitý materiál nakládat. V zemědělství je jeho průměrná hodnota 1,8.
Za nejdůležitější kritérium pro volbu nakládacích a manipulačních prostředků lze považovat možnost jeho využití v rámci technologií využívaných v podniku (jejich univerzálnost).
Budeme-li toto kritérium považovat za základní, můžeme z něho odvodit další požadavky, jako je zvedací síla, výška zdvihu s pracovním nářadím, jízdní a manévrovací vlastnosti. Podle těchto kritérií může uživatel volit mezi nakládacími prostředky.
Pro manipulace do relativně malých výšek a manipulace v omezených prostorech (především v živočišné výrobě), jsou to smykem řízené nakladače a kompaktní (mini)nakladače. V linkách, kde je požadovaná vysoká nakládací výkonnost, jsou výhodné čelní samojízdné nakladače.
Traktorové čelní nakladače se uplatňují pro svoji univerzálnost a dobré manévrovací schopnosti tam, kde je potřeba nižší nakládací výkonnost (menší podniky).
Pro svoji univerzálnost, vysokou výšku zdvihu, dobré manévrovací schopnosti jsou v zemědělském provozu široce využitelné nakladače s teleskopicky výsuvným ramenem (manipulátory).

Volba nakladače

Nakladače spolu s některými výkonnými sklizňovými stroji (sklízecí řezačky, sběrací návěsy, sklízecí mlátičky apod.), tvoří v zemědělství rozhodující technické prostředky pro ložné operace.
Pracovní cyklus je u všech typů mobilních nakladačů v zásadě stejný. Skládá se z náběru materiálu, jeho zvednutí, přemístění k dopravnímu prostředku, vyložení materiálu do dopravního prostředku, zpětný pohyb k dalšímu náběru, spuštění pracovního nářadí k dalšímu náběru při nakládání materiálu. Pochopitelně některé činnosti v průběhu pracovního cyklu mohou probíhat současně.
Doba trvání pracovního cyklu nakladače závisí na technickém řešení (konstrukce jednotlivých prvků, výbava, výkon motoru) nakladače, na zručnosti a zkušenosti obsluhy a na volbě organice práce (vzdálenost mezi místem náběru a dopravním prostředkem při nakládce).
Důležitým technickým údajem při volbě typu nakladače je zvedací síla (kN) v celém profilu práce zvedajícího se ramene. Znalost hodnoty zvedací síly možňuje odpovídajícím způsobem dimenzovat velikost pracovních orgánů v závislosti na měrné hmotnosti nakládaného (vykládaného) materiálu.
Pokud má být nakladač využíván v rámci pracovních operací nejen k nakládání, ale i k „těžení“ materiálu (nakládání hnoje, siláže apod.), je důležitým údajem i hodnota odtrhové síly (kN). Tato hodnota určuje největší sílu využitelnou k oddělení materiálu.
Užitečná hmotnost nakladače (kg) udává maximální hmotnost materiálu, se kterou je schopen nakladač manipulovat. Hodnota užitečné hmotnosti se mění v závislosti na výšce (vysunutí) výložníku. Pro každý typ nakládacího prostředku je běžně dostupný zátěžový diagram (viz obrázek na straně 10).
Maximální výška zdvihu ramene nakladače (m) se udává se standardním nářadím a měla by udávat maximální možnou výšku uložení materiálu s tímto nářadím.
Pro některé přídavné nářadí (vyklápěcí lopaty apod.) je výhodné znát také největší překlápěcí (výsypnou) výšku (m). Tato výška udává výškou spodní hrany sklopeného pracovního nářadí nad podložkou. Tato hodnota určuje (zjednodušeně řečeno) maximální výšku naskladňovaného materiálu naskladňovaného překlopným pracovním nářadím. Hodnota výsypné výšky bývá o 0,3 až 0,6 m menší než je maximální výška.
Pro posouzení vhodnosti nakladače je pochopitelně nutné brát v úvahu i jeho základní rozměrové charakteristiky, a to jeho délku (včetně pracovního nářadí), šířku (schopnost průjezdu v omezených prostorech živočišné výroby), výšku, světlou výšku (určuje schopnost jízdy v terénu).
Významným údajem při výběru nakladače je minimální poloměr zatáčení. Je dobré si uvědomit, že tento údaj se udává buď jako stopový (určený stopami kol), nebo jako obrysový. Obrysový poloměr otáčení udává hodnotu stopy, kterou opisují vnější obrysy stroje. Tento údaj vlastně přesně udává plochu, kterou stroj potřebuje pro svůj pohyb. Je třeba připomenout, že většina výrobců nakladačů tyto údaje udává pro nakladač bez pracovního nářadí, nebo pro základní pracovní nářadí.
Důležitou podmínkou pro práci nakladače v zemědělství, ale i například v komunální sféře, jsou jeho dobré trakční vlastnosti, které dovolují jeho bezpečný pohyb nejen na zpevněných a upravených komunikacích, ale také na nezpevněných plochách.
Jak u nás, tak i v zahraničí získávají v zemědělských podnicích mezi nakladači významné postavení a značnou oblibu, nakladače s výsuvným ramenem – manipulátory.
Manipulátory byly původně konstruovány pro stavebnictví, pro využití v zemědělském provozu jsou upravovány a řadou výrobců i přímo pro zemědělský provoz konstruovány.
Výška zdvihu, to je parametr, který dobývá manipulátorům cestu do zemědělského provozu. Jejich další nespornou předností je vysoká flexibilita použití, která je zajištěna díky široké nabídce snadno a rychle vyměnitelných pracovních orgánů. Přidají-li se k tomu ještě dobré manévrovací schopnosti, dostatečná zvedací síla při zasunutém i vysunutém rameni výložníku, získávají zemědělci prostředek, který může dobře zajišťovat nakládací a vykládací operace, ale i některé další práce.
Manipulátory lze rozdělit na malé teleskopické a klasické. Malé teleskopické manipulátory tvoří přechod mezi teleskopickými manipulátory a malými čelními nakladači. Malé manipulátory jsou stejně jako klasické manipulátory vybaveny teleskopickým výložníkem se zdvihem do 4 m a disponují zvedací silou do dvou tun. Jejich motory dosahují výkonu 80 až 100 koní.  Klasické manipulátory se vyznačují zdvihem ramene 7 až 10 m a zvedací silou 3 až  4,5 t. Jejich motory dosahují výkonu 90 až 150 koní.

Konstrukce klasického teleskopického manipulátoru

Základ každého manipulátoru tvoří robustní rám a kvalitní podvozek. Rám manipulátorů bývá žebřinového nebo příhradového typu a slouží nejen k připojení náprav, motoru, výložníku a kabiny, ale tvoří také významný stabilizační prvek, který ovlivňuje boční pohyb stroje, což je důležité především při požadavku na přesné uložení nákladu.
Rameno výložníku manipulátoru tvoří podle maximálně možné délky jeho vysunutí jedna až tři teleskopicky výsuvné a jedna pevná sekce obdélníkového nebo čtvercového průřezu. Posouvání výsuvných sekcí ramene je ve většině případů ovládáno hydraulicky. Mechanické (řetězy) nebo kombinované (hydraulicky a mechanicky) vysouvání se u nás v zemědělství nepoužívá. Bod uchycení nosné (pevné) sekce ramene výložníku na rámu stroje ovlivňuje polohu jeho těžiště a může omezit výhled obsluhy z kabiny. Většinou bývá rameno uchyceno k rámu manipulátoru nízko, vzadu za kabinou řidiče. Posunutí bodu uchycení ramene do zadní části rámu stroje zlepšuje jeho stabilitu. Bod uchycení ramene na rámu ovlivňuje také nutnost používání dodatečných závaží.
Přesné vedení pohyblivých sekcí ramene při jejich posunování zajišťují kluzáky. Ty umožňují optimální nastavení sekcí ramene jak při montáži, tak při provozní údržbě, aby nedocházelo k bočnímu pohybu sekce. Kluzáky jsou vyráběné z materiálů vysoce odolných proti opotřebení s velmi nízkým koeficientem tření.
Výložník musí odolávat vysokému provoznímu zatížení. K maximální hmotnosti až 4500 kg a maximální zvedací výšce bez opor 7 – 9 m je třeba brát v úvahu síly vyvolávané odporem materiálu při jeho náběru a také fakt, že tyto síly nepůsobí vždy kolmo na výložník.
Stabilita stroje při práci v nerovném terénu bývá zajišťována jeho aktivním elektronicko-hydraulickým vyrovnáváním. Některé konstrukce manipulátorů využívají hydraulický systém aktivního odpružení ramene (např. systém B. S. S. u strojů Merlo).
Odpružení ramene bývá uváděno jako výhodnější z důvodu minimalizování ztrát přepravovaného materiálu.
V závislosti na výrobci jsou manipulátory poháněny motory různých výrobců. V zemědělství se nejčastěji uplatňují motory o výkonech od 90 do 150 kW. Za standard je považováno použití motoru, který splňuje normu ISO 9249 (Tier 3).
Při volbě výkonu motoru je třeba brát v úvahu předpokládané spektrum využití manipulátoru a to, že motor zajišťuje nejen pohon pojezdu, ale současně i pohon hydraulické soustavy. Volba méně výkonného motoru (vidina úspory investičních nákladů) může v provozu znamenat prodloužení jednotlivých částí nakládacího cyklu a tím i výrazné snížení nakládací a následně i dopravní výkonnosti.
V závislosti na konstrukci manipulátoru bývá motor umístěn za kabinou řidiče nebo vedle ní. Obě řešení mají své výhody a nevýhody. Motor za kabinou řidiče působí jako protizávaží vysunutého ramene. Jeho umístění na boku stroje zase umožňuje upevnit rameno výložníku co nejdále v zadní části stroje. Toto uložení ramene výložníku vylepšuje silové poměry na ně působící.
Většina funkcí manipulátoru je ovládána nejčastěji hydraulicky. Zdrojem tlakového oleje jsou zubové nebo pístové hydrogenerátory. Zubové hydrogenerátory s tlakem asi 23 MPa a průtokem 110 l/min, pístové axiální hydrogenerátory s tlakem 24 MPa a průtokem 150 l/min.
Pro pohon pojezdu manipulátorů se používají v zásadě dvě konstrukční řešení. Pohon s mechanickou převodovkou a hydrodynamickým měničem (hydrodynamický pohon) anebo hydrostatický pohon.
U hydrodynamického pohonu je energie z motoru přivedena do hydrostatického měniče, ve kterém se zvýší točivý moment a sníží otáčky. Na měnič napojena 4 nebo 5stupňová převodovka s rozvodovkou, která přenáší pohon na přední, zadní, případně na obě nápravy. Hydrodynamický měnič ve spojení se stupňovou mechanickou převodovkou, s řazením pod zatížením nebo bez něj, umožňuje stroji velmi plynulý rozjezd a citlivou reakci na změnu otáček motoru. Možnost reverzace chodu řazené pod zatížením je nezbytností. Mechanická převodovka umožňuje variabilitu rychlosti pojezdu stroje. Proto lze manipulátory s tímto typem pojezdu vybavit i plazivými rychlostmi. Hydrodynamický pohon pojezdu vyžaduje vybavit manipulátory účinným brzdovým systémem. Používají se prakticky výhradně kapalinové brzdy.
Hydrostatický pohon pojezdu je zajištěn soustavou hydrogenerátor – hydromotor. Hydromotor může být napojen na převodovku a rozvodovku, z níž se točivý moment přenáší na přední, zadní nebo obě nápravy, případně mohou být využity hydromotory umístěné přímo v pojezdových kolech (méně časté provedení). Výhodou hydrostatického pohonu pojezdu je, že motor může vždy pracovat v optimálním režimu. Toho je dosahováno využíváním systému load sensing (automatické přizpůsobení výkonu hydrogenerátoru odporu stroje). Hydrostatický pohon je také charakteristický samobrzdicím efektem. Výhodou hydrostatického pojezdu může být citlivější ovládání a jednoduchost. Nevýhodou tohoto pohonu jsou větší ztráty přenášeného výkonu motoru. 
Řízení náprav prakticky všech manipulátorů může pracovat ve třech režimech. Řízení jedné nápravy, řízení obou náprav a tzv. krabí chod pro pohyb stroje do strany. Stopový poloměr otáčení se pohybuje podle velikosti manipulátoru od 3 m výše. Pro dobrý pohyb manipulátoru ve svahu se dodávají i odpružené přední nápravy
Základním požadavkem na kabinu řidiče je zajištění dokonalého výhledu vpřed na čelní nářadí, a to i v případě nakládky do dopravních prostředků s vysokými bočnicemi. Neméně významné je i zajištění výhledu do boků a vzad především s ohledem na manévrování. Vzhledem k systému práce manipulátoru je velmi důležité umístění základních ovládacích prvků. Obdobně jako u jiných strojů se i u manipulátoru uplatňuje ovládání jednou rukou pomocí sdruženého ovladače (joystick). Obsluha pomocí joysticku zabezpečuje nejen ovládání výložníku (zvedání/spouštění, zasouvání/vysouvání, vyklápění/sklápění), ale i ovládání směru jízdy, zapínání uzávěrky diferenciálu a další funkce. Konstrukce joysticku kombinuje zpravidla křížový rozváděč (pro čtyři základní pohyby) s dalšími ovladači a na hlavici páky. Ovladače mohou fungovat jako spínače, nebo jako proporcionální ovladače. Proporcionální ovladače umožňují plynulou regulaci funkce.
Původně pouze kontrolní elektronické prvky, které kontrolovaly překročení povolených hodnot (sklon, přetížení), případně blokování některých funkcí v případě poruch, jsou postupně doplňovány o řídicí prvky, které výrazně snižují zátěž řidiče.

Využití manipulátorů

Klíčem k vysokému využití manipulátorů je pracovní nářadí. Toto nářadí je připojováno na univerzální připojovací rám na konci výložníku a může být vybaveno i poháněnými pracovními orgány. Jejich pohon je řešen prakticky výhradně hydraulicky. Rychlou výměnu nářadí je možné realizovat pomocí rychloupínacích prvků s ruční nebo automatickou fixací připojeného nářadí. Ruční fixace nářadí je časově náročnější. Řidič musí vystoupit z kabiny. Automatická fixace je rychlejší. Volba typu fixace je závislá na předpokládaném nasazení manipulátoru (četnost výměny nářadí). Doba připojení a odpojení nářadí se obvykle pohybuje v rozmezí jedné až tří minut.
Pro manipulátory je k dispozici široký sortiment pracovních nářadí. Univerzálně jsou využitelné lopaty a paletizační vidle. Součástí nabídky příslušenství jsou také rozdružovače balíků, kleště na válcové a hranolové balíky, vykusovače silážních bloků apod.
Lopaty se používají pro manipulaci se sypkými, popř. kusovými materiály. Často se také využívají pro těžební práce, což ale vzhledem ke konstrukci ramene manipulátoru není úplně ideální. Základní lopatou, kterou je obvykle vybaven každý čelní nakladač, je univerzální lopata s břitem určená pro manipulaci se sypkými materiály (do objemové hmotnosti 2 t/m3). Pro manipulaci se zeminou je vhodnější lopata se zuby, pro manipulaci s bulevninami je k dispozici roštová lopata.
Pro nakládání kompostů, chlévského hnoje, siláže a podobných materiálů lze použít také lopatu s drapákem. Pro manipulaci s objemnými hmotami se využijí vidle. Ne přímo v technologiích zemědělské výroby, ale v zemědělském provozu nachází uplatnění také jeřábový hák.
V posledním období se rozšiřuje nabídka manipulátorů uváděných jako zemědělské. Většina výrobců vybavuje manipulátor tažným zařízením pro připojení přívěsu nebo návěsu, případně systémem vzduchového brzdění. Hmotnost přípojného vozidla se řídí typem závěsu a rozhodnutím o podmínkách provozu na pozemních komunikacích. Některé typy manipulátorů jsou také vybaveny zadním tříbodovým závěsem. Firma Merlo vybavuje svoje manipulátory tímto závěsem s užitečnou hmotností 4300 kg a elektronickým proporcionálním ovládáním, které je plně srovnatelné s traktorovými závěsy. Pro zvýšení možnosti použití manipulátoru lze u některých typů nalézt i vývodový hřídel, díky kterému se ještě více rozšiřuje oblast použití manipulátorů. Takto vybavené manipulátory jsou schopné provádět i činnosti mimo rámec oblasti manipulace s materiálem.
Teleskopický manipulátor lze zásluhou jeho univerzálnosti využít účelně v průběhu celého roku. Volbu vhodného stroje je třeba přizpůsobit konkrétním podmínkám a prováděnému typu prací. Vhodnou volbou pracovního nářadí lze zvýšit využití manipulátoru, ale na ekonomiku jeho provozu má také významný vliv i organizace jeho pracovního nasazení. Je třeba věnovat pozornost jednotlivým složkám doby cyklu. Pracovní cyklus musí být organizován tak, aby byly eliminovány ztrátové časy.

Závěr 

Kvalitní manipulační technika může ovlivnit ekonomiku podniku jedině ve vazbě na dopravní techniku.
Manipulátory tvoří mezi nakládací technikou zvláštní skupinu. Možnost rychlé výměny široké palety pracovních orgánů zajišťuje jejich vysokou univerzálnost. To se jeví jako vysoce výhodné pro uživatele. Na druhé straně může přílišná univerzálnost i negativně ovlivnit kvalitu práce.
Při volbě nakládacích prostředků je proto třeba vždy posuzovat výhody a nevýhody jednotlivých typů mobilních nakladačů. Volba by se měla řídit nejen pořizovací cenou. Základním kritériem by mělo být hledisko ekonomičnosti provozu po dobu životnosti stroje.

Klíčové informace

- Vzhledem k relativně krátkým přepravním vzdálenostem v rámci technologických postupů především v rostlinné výrobě (v průměru se uvádí do 4 km u vnitropodnikové dopravy) jsou dopravní cykly poměrně krátké. 
- Pro dosažení vysoké dopravní výkonnosti zejména u dopravních souprav s vysokou užitečnou hmotností a přepravní rychlostí je třeba redukovat i časy nakládání a vykládání materiálu. 
- Z tohoto pohledu se stávají nakládací prostředky v zemědělství významným prvkem.

Ing. Jiří Pospíšil, CSc.
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta
Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky