Součástí zemědělské výroby je doprava materiálů v prostředí s nekonečným počtem variant jeho působení a s řadou opakujících se manipulačních operací. Využití nakládacích a manipulačních mechanismů v technologických linkách v zemědělství lze rozdělit do tří základních skupin. Vedle živočišné a rostlinné výroby totiž vyžaduje dopravu a manipulaci rovněž doplňková činnost.
V živočišné výrobě se jedná především o manipulaci s krmivy, se zvířaty (přenášení, poutání, doprava), chlévskou mrvou a podestýlkou (výkaly), produkty (mléko, vejce, maso) a další (manipulace s uhynulými zvířaty či kaly).
Součástí rostlinné výroby jsou pracovní operace spojené zejména s manipulací s osivy (skladování), vyrobenými produkty (sklizeň, doprava a skladování), hnojivy a manipulace s postřiky.
Do třetí skupiny patří doplňková činnost. Je to například manipulace se stavebními hmotami při údržbě cest a objektů, horninami při výkopových pracích, ostatními hmotami při stavebních a zemních pracích, břemeny při údržbě a opravách strojů, produkty po provedené komunální údržbě prostranství (okolí staveb, cest, meliorační objekty), horninami a stavebními hmotami při realizaci drobných melioračních prací nebo při živelních pohromách, úklid sněhu, odstraňování závalů a splavenin po kalamitních srážkách.
Výkonnost a výběr vhodného typu nakladače
Nakladače jsou cyklicky pracující stroje, protože pracují s pravidelně se opakujícím pracovním cyklem. Při manipulaci (nakládání) s materiálem se zpravidla vracejí do výchozího postavení (ke skládce) a operátor nastavuje pracovní zařízení do výchozí polohy pro naložení nebo uchopení materiálu ze skládky.
U cyklicky pracujících nakladačů je při výpočtu výkonnosti nutné zjistit objem nebo hmotnost materiálu, který je nakládán do lopaty, resp. uchopen do pracovního zařízení, během jednoho pracovního cyklu. Potom je nutné zjistit dobu jednoho teoretického pracovního cyklu a správně vybrat opravné koeficienty vztažené ke konkrétním pracovním podmínkám v konkrétním prostředí.
Výkonnost nakladačů lze definovat jako hmotnostní nebo objemové množství manipulovaného materiálu (naloženého do korby, na dopravní pás, horniny vytěžené a naložené) za jednotku času (v kg/h, m3/h).
Vzhledem k možnosti využití snímačů hmotnosti (vážicí systémy), které nabízí rozsáhlou úředně ověřitelnou paměť pro uložení velkého množství rozdílných materiálů, břemen, evidenčních značek vozidel (vážní lístek obsahuje hmotnost břemena, název břemena, odběratele, resp. dodavatele), lze s břemeny manipulovat cíleně (dávkování množství).
Jedna z možných aplikací výpočtu výkonnosti nakladačů v zemědělství je případ, kdy je znám celkový objem materiálu k jeho manipulování, resp. k naložení nakladačem na odvozní zařízení, případně i celkový čas pro vykonání této práce. Úkolem je tedy zvolit vhodný nakladač, který je schopen v daném čase tuto práci vykonat.
Při výběru vhodného typu nakladače lze postupovat podle následujících kroků:
a) Stanovení požadované výkonnosti (zejména pokud je zařazen do technologické linky); s čímž souvisí stanovení doby pracovního cyklu a počet cyklů za hodinu a stanovení požadovaného objemu materiálu manipulovaného v průběhu jednoho pracovního cyklu.
b) Výběr nakladače podle potřebné velikosti a charakteru pracovního adaptéru (zpravidla lopaty, ale mohou to být paletizační vidle, hák na vaky apod.).
c) Výběr nakladače v souladu s prostředím, ve kterém bude pracovat (úzké profily – šířka a výška objektu, únosnost podložky, po které bude pojíždět, charakter podložky – rozbahněný terén), s tím souvisí i potřebná výsypná výška, resp. výška, do které bude ukládat břemeno.
Požadovanou výkonnost je možné získat podílem celkového objemu materiálu, který je nutno zpracovat, a celkové doby, která je pro práci k dispozici. Vyjadřuje se v m3/h.
Stanovení doby pracovního cyklu znamená upravit dobu teoretického pracovního cyklu časovými hodnotami, které vycházejí z podmínek při práci. Čas teoretického pracovního cyklu (je zjištěn výrobci podle stanoveného postupu) je k dispozici v technické dokumentaci. K tomuto času se připočtou opravné časy, které vycházejí z konkrétní situace, kde je nakladač na práci nasazen.
Objem materiálu, zpracovaného během teoretického pracovního cyklu, je roven objemu lopaty nakladače, který je udáván v technické dokumentaci výrobce. Objem skutečně naložený se liší například podle charakteru materiálu, který je nakládán (manipulován), závisí také na charakteru skládky materiálu, na zkušenostech obsluhy nakladače a na manipulačním prostoru, jenž je pro práci stroje k dispozici. Ne vždy se v praxi podaří, aby objem v lopatě odpovídal objemu teoretickému. Může to být více i méně, a proto je nutné uvažovat s koeficientem plnění lopaty (jaký objem se skutečně v lopatě nachází vzhledem k charakteru sypkého materiálu). Koeficienty plnění lopaty pro různé materiály a zemědělské produkty jsou uvedeny v tabulce.
Výkonnost dopravy
Dopravu a manipulaci v zemědělství je třeba hodnotit komplexně, tedy včetně nakládky a vykládky. Nakládka materiálu zpravidla vyžaduje několikanásobně delší čas než jeho vykládka a výkonnost dopravy tak výrazně ovlivňuje. Z hlediska požadavků na výkonnost dopravy je nutné, aby odvozní zařízení (traktor s přívěsem, návěsem, automobil, dopravník) materiál nepřetržitě odváželo, resp. odsouvalo a mělo minimální časové prostoje v místě nakládky a skládky. Nakládání musí probíhat s co nejkratší dobou pracovního cyklu. Z experimentálních měření při manipulaci s horninami a sypkými materiály kolovými nakladači s kloubovým řízením vyplývá, že čas jednoho cyklu se v praxi pohybuje v rozmezí 12 až 90 sekund (záleží na charakteru prováděné operace a konstrukci nakladače). Optimální počet pracovních cyklů, které musí nakladač vykonat do naplnění korby odvozního prostředku, je tři až pět.
Moderní technologické linky v rostlinné výrobě vyžadují výkonné sklizňové stroje a dopravní zařízení s možností jednorázového odvozu velkých objemů produkce. Výkonné nakladače jsou jedním z nutných předpokladů pro zabezpečení výkonnosti zemědělské dopravy. Technologické linky se nepřetržitě vyvíjejí v důsledku vývoje mechanizace. S vývojem technologických linek souvisí i změny v technologických postupech, které nelze navrhovat bez znalostí možností a schopností strojů a strojních zařízení, zejména jejich výkonnosti, rozměrů a způsobů využití výměnných pracovních adaptérů.
Na straně jedné, pro manipulaci sklizených produktů, resp. pro nakládku substrátů do výkonných aplikačních strojů, vyžaduje zemědělská výroba výkonné nakladače. S tím souvisejí i jejich technické parametry, včetně jejich hmotnosti a rozměrů. Na straně druhé se v zemědělství uplatní i nakladače s nižší výkonností, ale s dobrými manévrovacími schopnostmi, výbornou průchodivostí složitým terénem a dobrými jízdními vlastnostmi (stabilitou) v omezených průchodech. Někdy je obtížné pro zemědělství stanovit optimální sestavu cyklicky pracující nakládací techniky. Zabezpečení nakládky a vykládky v celém spektru požadavků technologických linek rostlinné a živočišné výroby a oblastech doplňkové činnosti určuje výrobní oblast, která v zemědělském podniku převažuje. Obecně lze říci, že velké nároky na manipulaci vyžadují objemné materiály, jako například pícniny, cukrová řepa, kukuřice na siláž a další produkty rostlinné výroby. V živočišné výrobě je to především chlévská mrva. Nižší nároky, resp. výkonnost nakládací techniky, vyžaduje manipulace s osivem, sadbou a průmyslovými hnojivy.
Vazba objemu lopaty a užitečné hmotnosti odvozního zařízení při nakládce materiálu se známou objemovou hmotností ukazuje optimální stav, který by měl převládat v oblasti manipulace v rostlinné a živočišné výrobě u cyklicky pracujících kolových nakladačů. Důležité je připomenutí, že záleží na velikostní kategorii nakladače, na pracovním prostředí a na zvolené technologii práce. Obecně platí, že čím je vyšší kategorie nakladače, tím je čas pracovního cyklu delší (například teoretický čas hydraulických cyklů u nakladače kategorie I. je: 9,2 s (zvedání lopaty při jmenovitém zatížení, vyklápění a spouštění), u kategorie. II. je čas 10,1 s, resp. u kategorie III. je čas 12,3 s. Chybná technologie práce může být příčinou zvýšení času pro cyklus nakládky až o 100 %, který je pro výkonnost nakládky rozhodující.
Na trhu je velké množství rozmanitých nakladačů, které se liší především velikostí, resp. rozměry (šířka x délka x výška). S tím souvisí samozřejmě jejich hmotnost (čím větší, tím hmotnější) a především i možnost pracovat s pracovním adaptérem, s nímž se může dosáhnout vyšší výkonnosti (obecně platí: větší stroj = větší lopata = větší objem = vyšší výkonnost). Potom přichází na řadu další rozdíly. Například nakladač s kolovým podvozkem, s pásovým podvozkem, s motorem v přední nebo zadní části, s pohonem předních, zadních nebo všech kol. Pro uživatele má takové rozdělení, resp. začlenění do skupin nebo kategorií pouze informativní charakter, resp. mu poskytuje prvotní představu o strojích, které jsou na trhu k dispozici. Důležitější je, zda je nakladač schopen splnit to, co se od něho očekává v předem daných a mnohdy variabilních podmínkách. O tom mohou rozhodnout konstrukční prvky, pracovní adaptéry (objem, šířka záběru) a nosnost.
Rozdělení nakladačů
Nakladače lze rozdělit podle konstrukčních prvků a pracovních adaptérů na:
a) kompaktní lopatové nakladače,
b) teleskopické nakladače (manipulátory),
c) univerzální nakladače řízené nezávislým otáčením kol,
d) univerzální nakladače řízené nezávislým pohybem pásů,
e) univerzální zemní stroje,
f) manipulační zařízení pro ložné operace na vhodných nosičích (traktory),
h) vysokozdvižné vozíky.
Podle nosnosti se nakladače dělí do pěti skupin:
1. malé nakladače do nosnosti 500 kg,
2. lehké nakladače do nosnosti 2000 kg,
3. střední nakladače do nosnosti 5000 kg,
4. těžké nakladače do nosnosti 10 000 kg,
5. velmi těžké s nosností nad 10 000 kg.
Rozmanitost manipulačních prací v zemědělství vyžaduje i jiné nosné zařízení, než je pouze lopata na sypké hmoty. Jsou to například pracovní adaptéry na nesení palet, balíků slámy, vaků nebo volně loženého sena a dřevin. Těmto požadavkům je velmi dobře přizpůsoben nakladač, který je opatřen nejen základním pracovním, ale také přídavným zařízením. Přídavné zařízení je, podle ČSN ISO 7131, volitelná sestava částí, která může být namontována na základní stroj pro specifické použití. Schopností připojení přídavných zařízení se nakladač stává univerzálním strojem a záleží na uživateli, která přídavná zařízení ke stroji zakoupí. Nakladače montáží přídavných zařízení opouštějí své tradiční místo v oblasti manipulace se stavebními hmotami a horninami a dostávají se i do jiných prostředí, například do zemědělských družstev a farem. Lze tedy říci, že malé nakladače se stávají vlastně nosiči různého nářadí, využitelného i v zemědělství. Z praxe je patrné, že v poslední době do oblasti zemědělství pronikají nakladače teleskopické a nakladače řízené nezávislým otáčením kol více než klasické kompaktní nakladače. Pro využití nakladačů v technologických linkách v zemědělství vyhovuje nakladač na kolovém i pásovém podvozku.
Univerzální nakladače řízené smykem
Nejlepší systém řízení pojezdu pro malý nakladač v zemědělství je řízení prokluzem kol. Systém umožňuje otáčení stroje na místě, čímž je průměr zatáčení o málo větší než je maximální délka stroje (například délka stroje s lopatou položenou na zemi CAT 216 je 3233 mm, průměr otáčení je 3880 mm).
Tímto systémem řízení jsou vybaveny univerzální čelní nakladače smykem řízené. Pojezdové ústrojí tvoří nejčastěji dva na sobě nezávislé redukční převody poháněné neregulačními hydromotory. Regulací dodávky tlakového oleje do hydromotorů se zatáčí s možností otáčení okolo těžiště stroje protichodem hnacích kol.
Tyto malé univerzální nakladače mohou především pracovat při provádění zemních prací menšího rozsahu a zejména tam, kde pro stísněné pracovní podmínky a malou únosnost terénu nelze použít běžné nakladače nebo jiné stroje. Se svými výkony motorů, konstrukcí a velkým množstvím přídavných zařízení (někteří výrobci dodávají až 50 různých pracovních adaptérů a agregátů) se stávají vyhledávanými pomocníky nejen při nakládání horniny, resp. jiného sypkého materiálu z hromady, ale mohou částečně rozpojovat horninu, nakládat ji na odvozní prostředky (přívěsy, návěsy, kontejnery), do jiného mechanismu (dopravníky, drtiče), na jinou skládku nebo k jinému použití (míchání materiálů). Mohou být využívány k zahrnování výkopů a rýh po položení inženýrských sítí, ke shrnování, rozprostírání a urovnávání materiálu pro následné stavební nebo zemní operace (válcování, pokládka panelů). Mohou převážet různá břemena na krátkou vzdálenost. Lze je využít pro nakládání, resp. skládání materiálu v odměřené hmotnosti nebo odměřeném objemu.
Manipulační operace v živočišné výrobě vyžadují manipulační zařízení, které disponuje vynikající manévrovací schopnosti a může pracovat v úzkých průjezdech a na malé ploše. To jsou podmínky vhodné pro činnost univerzálních nakladačů smykem řízených. Uplatnění naleznou také v rostlinné výrobě, v sadech, ve vinicích, v zahradnictví a při údržbě komunálních ploch, při likvidaci nežádoucích nárostů v parcích a kolem melioračních objektů (kanály, svody, příkopy, hráze), mohou urovnávat, čistit a udržovat komunikace v zimním období nebo například po přívalových deštích. Jsou přizpůsobeny pro pohon různých agregátů (štěpkovače, čerpadla, mulčovače, sněhové frézy, zemní vrtáky apod.).
Uživatelé si mohou zvolit konkrétní nakladač s přídavnými adaptéry pro převládající práce v konkrétním prostředí (rozchod kol, světlá výška, maximální šířka, výška a délka, výkon motoru, hydraulická soustava, hmotnost, kabina, klimatizace, filtrace, kola se speciálními pneumatikami nebo pásy místo kol), pro ložné operace ve výškách (výsypná výška) a pro zajištění požadované výkonnosti při nakládání konkrétního materiálu (kolik unese v lopatě, jak vysoko zvedne lopatu, jak ovlivní jeho práci terén).
Celková hmotnost nakladačů smykem řízených se pohybuje v závislosti na modelu v rozmezí 2600 až 3250 kg, celková délka je 3100–3300 mm s lopatou, maximální šířka je 1500–1800 mm, maximální celková výška 3500 až 3700 mm, výsypná výška od 2150 mm až po 2600 mm, hloubka rozpojování s nakládací lopatou je až 700 mm, jmenovitá provozní nosnost je od 680 kg do 1200 kg, rychlost pojezdu se pohybuje kolem 12,5 km/h vpřed i vzad, světlá výška od 170 až po 250 mm, výkon motorů je v rozsahu 43–61 kW, střední kontaktní tlak pod kolem je 24 až 30 kPa, stoupavost strojů je 36 % (20°), brodivost až 250 mm. Moderní nakladače disponují mechanismem výložníku, který zajišťuje vertikální zdvih (bez dráhy lopaty, která opisuje kružnici). Teoretický pracovní cyklus u smykem řízených nakladačů je kolem 12 s, čemuž odpovídá teoretická výkonnost s nakládací lopatou o objemu 0,4 m3 v hodnotě 120 m3/h. Lze tedy předpokládat, že i při započítání všech možných negativních faktorů (včetně charakteru manipulovaného materiálu, kdy může být horší plnění lopaty a nakládaný objem bude nižší) je skutečná výkonnost v rozsahu 60 až 80 m3/h.
Teleskopické nakladače (manipulátory)
Teleskopický nakladač je samojízdný stroj na kolovém podvozku s vpředu namontovaným teleskopickým výložníkem, na který lze připevnit rozmanité pracovní adaptéry. Teleskopické výložníky prodlužují dosah pracovního adaptéru ve vazbě na nosnost nakladače. Například u nakladače s hmotností kolem 5000 kg je nosnost 2200 kg při výškovém dosahu 5,2 m a čelním dosahu 2,8 m; u středního teleskopického nakladače o hmotnosti 8000 kg je nosnost 3200 kg při výškovém dosahu 11 m a čelním dosahu 7,4 m; u velkého teleskopického nakladače o hmotnosti 12 000 kg je nosnost 5000 kg při výškovém dosahu 13,2 m a čelním dosahu 8,8 m.
Základními částmi stroje jsou podvozek, teleskopický výložník, kabina, motor s převodovkou, nápravy a kabina. Důležitou částí je teleskopický výložník, uvnitř kterého je přímočarý hydromotor. To umožňuje dosáhnout optimálního rozložení sil působících na hydromotor. Ovládání pracovních funkcí strojů využívá nejnovějších poznatků z oblasti ergonomie. Výkonné servořízení umožňuje otáčení koly stojícího stroje s minimálním vynaložením síly a pokyny k ovládání výložníku a lopaty prostřednictvím joysticku vycházejí z logiky vzájemného pohybu pracovního nástroje a ruky. Prostorné kabiny umožňují obsluze pohodlné pracovní podmínky při bezproblémovém výhledu okolo stroje. Pohodlí poskytují komfortní sedačky a stavitelné sloupky řízení. Kabiny jsou klimatizované, čímž přispívají k bezpečnosti práce a k udržení směnové výkonnosti na konstantní úrovni. Výborná průchodnost strojů umožňuje vykonávat práce i ve složitějších terénních podmínkách. Pohon je 4 x 4 s uzávěrkami diferenciálů a převodovky s řazením pod zatížením umožňují bezproblémové práce i ve složitých terénních a půdních podmínkách. Režim řízení všech kol usnadňuje manévrování v omezených průjezdech, v úzkých prostorách, při zajíždění ke stěnám a rampám. Při jízdě po silnici lze využívat řízení pouze předních kol. Stroje disponují funkcí automatického vyrovnávání zadních kol do přímého směru. Krabí chod umožňuje manévrování mezi překážkami a ve stísněných podmínkách. Při jízdě, kdy se stroj přesunuje po silnici, lze zapnout pouze pohon přední nápravy. Tím jsou šetřeny pneumatiky. Při brzdění se automaticky zapíná pohon obou náprav.
Vzhledem ke krátkým časům dílčích akcí v oblasti činnosti výložníku (zvedání, vysouvání a zasouvání) a pracovního orgánu je výkonnost strojů velmi dobrá. Zdvihací síla a rychlost hydrauliky při operaci zdvihu vyhovují požadavkům na optimální výkonnost stroje. Dobrá stabilita strojů umožňuje využívat vyšší rychlost pojezdu mezi dopravními operacemi a při manipulaci s břemeny při vysunutém výložníku. Velká pozornost je při konstrukci věnována bezpečnosti práce. Elektronické systémy varují operátora akustickou a optickou signalizací, že se stroj nachází v nebezpečném jízdním (náklon stroje) i pracovním režimu (hlídání zatížení výložníku). Na zádi strojů jsou přípojky pro elektrické i hydraulické vývody pro ovládání přípojných vozidel (sklápění přívěsů).
Objevují se systémy, které slouží k odpružení ramene výložníku. Odpružení umožňuje nezávislý pohyb podvozku a ramene s naplněným pracovním orgánem a eliminuje prudké výkyvy ramene při rychlejší jízdě na nerovném povrchu terénu. Je tím zajištěna stabilita stroje při převážení materiálu a také je chráněn sypký materiál před ztrácením při naplněné lopatě.
Klíčové informace
– Pro manipulační práce v resortu zemědělství vyhovuje stroj s určitým nakládacím mechanismem, jehož definici uvádí norma ČSN ISO 7131 (také ISO 6165, 1987).
– Nakladač je samohybný stroj pásový nebo kolový s integrovanou vpředu namontovanou nosnou konstrukcí lopaty a pákovou soustavou, který nabírá, těží anebo rozpojuje materiál prostřednictvím pohybu stroje kupředu a který zdvíhá, přepravuje a vysypává materiál.
– Z uvedené definice vyplývá, že nakladač je určen především pro manipulaci se sypkými hmotami (materiálem), protože je zde uvedena lopata. Vzhledem k možnosti připojení přídavných zařízení může manipulovat také s kusovými břemeny a může provádět i další práce.
Ing. Ivo Celjak, CSc.
Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích
Zemědělská fakulta
Katedra zemědělské, dopravní a manipulační techniky
