GÉPESÍTÉS, GÉPEK ROVATVEZETŐ: Dr. Demes György A tárcsásborona-fejlesztés századvégi eredményei (Kompakt vagy rövid tárcsa, hazai vagy külhoni fejlesztés?) Dr. Jóri J. István BME Gépészmérnöki Kar, Gép- és Terméktervezés Tanszék A tárcsás boronák sikereihez nagymértékben hozzájárultak azok a fejlesztések, amelyeknek eredményeként alkalmassá váltak tarlóhántásra, különösen kukoricatarlók művelésére. A kétsoros nehéz V-tárcsás boronák viszont szerkezeti hosszúságuk következtében nem, vagy csak nagy nehézségek árán használhatók napjaink gépkombinációiban. Ez a probléma is hozzájárult ahhoz, hogy a kompakt (rövid) tárcsák hihetetlen sikereket értek el az utóbbi időkben. Rövid dolgozatunkban bemutatjuk a kompakt tárcsák fejlődéstörténetét és azokat a fejlesztési lehetőségeket, amelyek megvalósulása esetén számítani lehet alkalmazásukra a kukorica termesztés talajművelési technológiájában. mutatnak. Az egyirányú tárcsák kezdeti népszerűségüket elvesztették, mivel konstrukciós hiányosságaik következtében a munkasebesség növelését nem tették lehetővé és a munkaszélesség bővítését is csak bonyolult, nehezen üzemeltethető megoldásokkal érték el. A tárcsás ekék, a mérsékelt éghajlatú országokban sohasem váltak népszerűvé, alkalmazásukra csak extrém körülmények (pl. gyökerekkel átszőtt köves talaj) között került sor. Ennek következtében lényeges műszaki fejlesztési eredményekkel sem dicsekedhetnek. A tárcsás boronák fejlesztése a traktorfejlesztés eredményeit követte. A modern traktorok lehetővé tették, sőt megkövetelték a keretszerkezet és a kiegészítő berendezések fejlesztését. Ennek eredményeként napjaink tárcsás boronái változtatható szögállású tagokból épülnek, szállításkor a traktor függesztő berendezését terhelik, vagy gumiabroncsozású kerekeken gördülnek, amelyek egyúttal mélységhatárolásra is szolgálnak, és amelyeket kihelyezett hidraulikus munkahengerekkel működtetett mechanizmusok mozgatnak éppúgy, mint a nagy szélességű változatok szárnyrészeit. Az általános fejlődés, s az egyes helyeken és időszakokban elért népszerűség ellenére tárcsás boronák alkalmazási lehetőségei behatároltak. Ennek egyrészt agrotechnikai (túlzott lazítás, néha porosítás, ká- A tárcsás boronák rövid fejlődéstörténete A tárcsás talajművelő eszközök mintegy százötven éves fejlődéstörténetét tekintve lényeges, de nem forradalmi változások figyelhetők meg. A művelőelemek tekintetében szinte alig tapasztalható változás, hiszen a gömbsüveg alak végig uralkodó maradt. Az utolsó két évtizedben megjelent csonkakúp alakú tárcsalevelek ismert előnyeik ellenére csak színesítik a választékot. A gömbsüveg (csonkakúp) alakú művelőelemekből felépíthető eszközök közül folyamatos és sikeres fejlődést csupán a tárcsás boronák 1. kép MMG rövid tárcsa 106 2013. január
ros talajtömörítés), másrészt konstrukciós okai vannak. A tárcsás boronák közös jellemzője, hogy művelőelemeik acélból készült gömbsüveg vagy csonkakúp alakú tárcsalapok, amelyek a rendeltetéstől függően különböző kialakítású kereteken úgy vannak elhelyezve (csapágyazva), hogy a talaj által hajtva szabadon foroghatnak. A tárcsás talajművelő eszközök rendeltetése sokféle lehet, ennek megfelelően szerkezeti felépítésük is eltérő, működési elvük azonban alapvetően azonos. A haladási iránnyal adott szögben vontatott tárcsalevél aprítja, porhanyítja a talajt. E munkája közben a talajrészek jól keverednek. Az előzőeken túlmenően a tárcsa bizonyos mértékben forgat, elvágja a növényzetet, ill. a növényi(tarló) maradványokat. Porhanyító és keverő munkájuk jobb, mint az ekéé, ezért bizonyos körülmények között használatuk is előnyösebb (tarlóhántás, szántás elmunkálás). A tárcsás talajművelő eszközöknek a következő igényeket kell kielégíteniük: az előre beállított mélységben porhanyítsák, lazítsák a talajt; a munkamélység állítható, de hossz-, ill. keresztirányban azonos legyen; vontatás közben a változó talajellenállás ellenére is tartsák a haladás irányát; behúzó hatásuk kemény talajon is megfelelő legyen; a talajfenék csipkézettsége ne emelkedjen a felszínig és ne maradjon műveletlen sáv; a fogások szélein ne hagyjanak nagy mélységű barázdákat; a szár-, ill. tarlómaradványok aprítását és keverését eltömődés mentesen végezzék; munkájuk után a talaj felszíne egyenletes legyen. A tárcsatagok elrendezése alapján a következő felosztás lehetséges: egysoros aszimmetrikus (egyirányú tárcsák, tárcsás ekék) kétsoros X-elrendezésű kétsoros V-elrendezésű kettő vagy négysoros, párhuzamos elrendezésű (kompakt tárcsák). Külön kategóriát képviselnek a kompakt tárcsák, amelyek kialakulását és elterjedését a szerkezeti hosszúság csökkentésének követelménye indokolta. A hagyományos építésű (X- vagy V-formájú) típusok ugyanis a magágykészítő vető gépkombinációkban nem, vagy csak erős kompromisszummal alkalmazhatók. A tárcsalevelek egyenkénti csapágyazása és kerethez kapcsolása lehetővé teszi a két tárcsasor párhuzamos egymáshoz viszonylag közeli elhelyezését. Konstrukciós szempontból ez egyértelműen előnyös, bizonyítja ezt rendkívüli gyorsaságú terjedésük. Munkaminőségi szempontból azonban esetenként főleg nehéz művelésű, kötött talajokon problémát jelenthet az agrotechnikai követelmények (munkamélység, porhanyító-keverő hatás) kielégítése. Ezért az ilyen megoldású gépek önálló alkalmazása csak meghatározott feltételek mellett javasolható, célszerűbb a talajművelő- és talajelőkészítő vető kombinációkba épített változatok használata. A tárcsásborona-fejlesztés hazai eredményei A tárcsásborona-fejlesztés hazai eseményei a múlt század hetvenes éveiben gyorsultak fel. Az amerikai növénytermesztési technológiák átvételével a talajművelésben teret nyertek a tárcsás boronák. A tarlóhántás, szántáselmunkálás sőt a 2. kép KA-5.6 magágykészítő gabonavető gépkombináció 3. kép KA-5.6 magágykészítő gabonavető gépkombináció szállítási helyzetben 2013. január 107
4. kép Kuhn kompakt tárcsa MMG kompakt tárcsa 1. ábra magágykészítés területén (sokszor kényszerből) is népszerűvé váltak a hazai fejlesztésű XT tárcsásboronacsalád tagjai. A tárcsás boronák népszerűségét később tovább növelte az amerikai licenc alapján készített IH (Case-IH) gyártmányok megjelenése, melyeknek 770 típusjelű változatai alkalmasak voltak szántást helyettesítő alapművelésre is. A tárcsásborona fejlesztés főbb irányai: művelőelem geometria átmérő növelés: 450-950 mm élkiképzés: folytonos él, csipkézett él görbület (öblösség) csökkentés a sebességnövelés érdekében építési mód egysoros: egyirányú tárcsa (ETB) kétsoros: X- vagy V-elrendezés gépkapcsolás talajművelő eszköz (mulcs lazító, mulcs-kultivátor) vetőgép. Jelen körülmények között a tárcsásborona vetőgép kapcsolás lehetőségeit és megoldásait tekintjük át. A minimum tillage irányzat kialakulása során volt megfigyelhető a gépek hosszirányú kapcsolása. Az USA körülményei között jól bevált módszer, az európai adottságok között nem tudott elterjedni. Ezért az ún. négyoldalú együttműködés (SZU, BNK, NDK, MNK) keretében létrehozott K+F munkacsoport feladata volt olyan talajművelő vető aggregát kifejlesztése, amely a nagyteljesítményű traktorok teljesítményét megfelelően kihasználja és a közúti szállítási követelményeknek (szélesség, hosszúság) is eleget tesz. Hagyományos építésű tárcsás boronával ilyen aggregátot nem lehetett létrehozni, ezért a Mosonmagyaróvári Mezőgazdasági Gépgyár szombathelyi egységének fejlesztő gárdája megalkotta, az ismereteim szerint a világon első, rövid szerkezeti hoszszúságú kétsoros tárcsáját (1. kép). Az új konstrukciójú tárcsás borona a KA-5.6 magágykészítő gabonavető, ill. a KAP-5.6 magágykészítő kukoricavető gépkombinációkban került beépítésre. Az új gépkombi- 108 2013. január
nációk azonban csak szántóföldi kísérletekben vettek részt, gyártásra nem kerültek (2-3. kép). A rövid szerkezeti hosszúságú tárcsás borona ötlete a nyolcvanas években ismét téma lett a Kühne Mezőgazdasági gépgyárban. A tárcsás borona terv dokumentációja (1. ábra) és egy kísérleti gép elkészült, de nem került ki a gyárból. (Egy évtizedes próbálkozás ellenére az új ötletből sem szabadalom, sem piaci siker nem született. A kompakt (rövid) tárcsák nemzetközi karrierje A rövid építésű tárcsás boronával legközelebb a kilencvenes években a hollandiai Evers-agro cég gyártmányaként találkozhattunk. A holland gép számos bemutatón, gépkiállításon szerepelt, de zajos sikert nem aratott. Robbanásszerű változást az új évezred hozott, hiszen napjainkban minden mezőgazdasági gépgyár létrehozta a saját változatát. Kezdetben kurz (rövid), később kompakt tárcsaként elnevezve arattak nagy sikereket (4. kép). A kompakt tárcsák alkalmazási területe viszonylagos újszerűségük következtében, rendkívüli népszerűségük ellenére, ma még nem teljesen tisztázott, esetenként vitatható. Egyértelmű előnyük, hogy építési elvükből adódóan sikeresen használhatók gépkombinációk kialakításánál. Az építési előnyből ugyanakkor felhasználási hátrány is származhat, mert a tárcsalapok alacsony fajlagos terhelése miatt sok esetben főleg kötött talajon a szükséges mélység nem érhető el (5. kép). A kompakt tárcsa kiválasztásánál két nagyon fontos szempontra hívjuk fel a figyelmet. Napjainkban 5. kép Rugós terhelésű tárcsalapok még kevés gyártmánynál találkozhatunk a tárcsalapok szögállítását lehetővé tevő megoldással, pedig az előzőekben említett alacsony fajlagos tárcsalap terhelés miatt a megkívánt munkamélység elérése érdekében szükség lenne erre a lehetőségre. A másik szempont, a tárcsalapok csapágyazását is magába foglaló tárcsatartó konstrukciós elrendezéséből adódó anyagáramlási probléma. Abban az esetben, ha a tárcsatartó a tárcsalap homorú munkavég- 6. kép Belső csapágyazású tárcsalapok 2013. január 109
ző oldalán kerül elhelyezésre, a nagy mennyiségű tarlómaradványt is tartalmazó talajáram nagy valószínűséggel ismétlődő eltömődést eredményez. Mindezekből következik, hogy a rendkívül széles választékból a tárcsalevél domború oldalán csapágyazott, szögállítási lehetőséggel és hatékony elmunkáló berendezéssel ellátott változatok beszerzése és használata javasolható (6-7. kép). A kompakt tárcsa fejlesztés új irányai 7. kép Külső csapágyazású tárcsalapok Behúzási szög változtatás 2. ábra Az előzőekben ismertetett előnyök érvényesítése, ill. a felsorolt hátrányok kiküszöbölése érdekében az elmúlt években komoly fejlesztési programot indítottunk. A kompakt tárcsák konstrukciós módosítása lehetőséget ad a tárcsás boronák beillesztésére a napjaink fő mezőgépfejlesztési irányát jelentő intelligens gépcsoportok fejlesztési programjába. A tárcsás boronák munkáját elsősorban a haladási sebesség (4-8 /10/ km/h), a tárcsalevélre eső függőleges irányú terhelés, a tárcsalapok átmérője, osztástávolsága és a tárcsalevelek beállítási (vontatási) szöge határozza meg. A tárcsás boronák munkamélysége azonos beállítási szög és függőleges terhelés esetén a munkasebesség növelésével csökken, ugyanakkor fajlagos vontatási ellenállásuk közel lineárisan emelkedik. Azonos görbületi sugarú tárcsalevél esetén a sebesség növelésével a talaj oldalirányú továbbítása is nagyobb lesz. A tárcsalevél görbületi sugarának növelésével a dobástávolság csökken. Ezért a növelt munkasebességre tervezett tárcsás boronákon a nagy görbületi sugarú tárcsaleveleket alkalmazzák. A kompakt tárcsák konstrukciós gyakorlatában a működést befolyásoló tényezők közül sajnálatos módon csak igen kevés szabályozására nyílik lehetőség. A gyártmányok nagy többsége rögzített beállítási szöggel kerül piacra, de ismeretesek olyan gyártmányok, ahol a beállítási szög a tárcsalevelek függőleges tengelyének elforgatásával (egyes típusoknál a traktor vezetőfülkéből működtetett hidraulikus szerkezettel) szabályozható. Mindezeket figyelembe véve a tervezéshez a következő szempontrendszert állítottuk fel: Változtatható jellemzők konstrukciós megoldásainak felülvizsgálata Hidraulika kör és a munkagép vezérlésének megtervezése kézi vezérlés: munkamélység kézi beállítása, vontatási szög kézi beállítása, behúzási szög kézi beállítása, sorkompenzáció, fordulókör automatika kézi kapcsolása, úti szállítóhelyzet kézi kapcsolása. autonóm rendszer kialakítás: talajtérkép alapú munkaszabályozás, munkaminőség ellenőrzés, beállítás. A fejlesztés során jelentős hangsúlyt fektettünk a rendszer vezérlésének fejlesztésére. A működtető vezérlő köröket rendszerben kezeltük, de bonyolultságuk miatt külön vezérlő körönként, egyesével terveztük meg. A munkahelyzet vezérlésének megtervezése során három paramétert kell beállítanunk és az ezekhez tartozó vezérlőköröket megterveznünk: vontatási szög (α), behúzási szög (γ), munkamélység (h). 110 2013. január
2013. január Intelligens kompakt tárcsa Intelligens kompakt tárcsa modell 3. ábra 4. ábra A tárcsás boronákat általában 15-25 -os vontatási szöggel használják, ezért e tartomány beállítási lehetőségének biztosítása a legfontosabb. A vontatási szög vezérlése soronként különböző beállítást igényel, ezért két működtető elem szükséges a megvalósításához. A behúzási szög beállítása mindkét tárcsasor esetén egyforma, ezért célszerű ezeket együtt mozgatni. Ennek megvalósítására egy hidraulikus munkahenger elegendő. A behúzási szög változtatásakor a tárcsalevelek osztástávolsága is változik. Ennek következtében műveletlen talajsávok keletkezhetnek, ezért szükséges a hátsó sor eltolása, vagyis a sorkompenzáció (2. ábra). A behúzási szög változtatásával egy időben kell végre hajtani a sorkompenzációt is, mivel a behúzási szög változtatásával az első és második sor közötti tárcsa kiosztás megváltozik. A soronkénti tárcsalevél-osztás állandó. Az első sor tárcsalevelei közé (geometria közép) kerülnek a második sor tárcsalevelei. A vezérlés megtervezése után elvégeztük a szükséges szenzoraktuátor elemek beépítésének megtervezését, valamint a gép részlettervezését (3-4. ábra). Tekintettel a mezőgépfejlesztés legújabb irányzatára, az elektromos hajtású traktorok megjelenésére, elkészítettük az intelligens kompakt tárcsa elektromos változatát. Ennek lényege az, hogy a szögállító aktuátorok hajtóműves léptetőmotorok, amelyek csavarorsókat forgatva végzik a beállításokat. A tárcsás boronák fejlesztésének több évtizedes történetét áttekintve megállapítható, hogy az USA-beli sikereket követve Európában is nagy népszerűségre tettek szert. Az alkalmazási körülmények azonban jelentős hatással voltak a konstrukciós törekvésekre. A nagyméretű, nagy szerkezeti hosszúságú gépek akadályozták a talajművelő vető gépkombinációk létrejöttét. A gép rövidítésének követelményét először a hazai gépfejlesztők voltak képesek kielégíteni. A KA/KAP talajművelő vető gépkombinációkhoz kialakított, új konstrukció követve a szokásos magyaros történetet sem a hetvenes sem a nyolcvanas években nem lett siker. Helyette, a holland példát követő európai konstrukciók sokasága jelent meg a külföldi, sőt a hazai piacokon is. Az újkori rövid/kompakt tárcsák azonban nem képesek a modern talajművelési rendszerek munkaminőségi követelményeit maradéktalanul kielégíteni. Ezért követve elődeink innovációs törekvéseit, megkezdtük a kompakt tárcsák térbeli szögállítására képes változatának kifejlesztését. A munkák során figyelembe vettük az intelligens munkagépek területén felmerült igényeket is, ezért hidraulikus és elektromos szabályozású megoldást egyaránt készítettünk. 111