Lesní traktoru ve svahu

Úvod

Lesní traktor nebo skidder je stále považován za velice efektivní prostředek využívaný při těžbě dřeva. Při technickém návrhu se zde tak potkávají požadavky na zvýšenou mobilitu stroje v lesním prostředí a náročném terénu, vysoký pracovní výkon, bezpečnost a ovladatelnost. V neposlední řadě nastupuje i trend enviromentální. Snahou je tak snižovat negativní dopady na okolní přírodu. Je hodnocen vliv používání stroje a podpora standartu 5-E (ekonomické, energeticky účinné, ekologické, ergonomické a estetické). Doporučené provozní rozsahy skidderů a lesních traktorů s ohledem na parametry terénu, technické vlastnosti stroje a velikosti nákladu nám umožní určit jejich hranice a hrubé limity. Pak je možno jednotlivé stroje vzájemně porovnat, popř. navrhnout vhodné úpravy.

Matematické pozadí

Pohyblivost stroje je dána základními rozměrovými parametry, jako jsou rozměry, těžiště, světlost a nosnost pneumatik a také schopností překonávání překážek – světlá výška, stabilita a trakční výkon. Některé parametry lze při návrhu lesního traktoru nebo lesní nástavby částečně upravit, aby se přiblížily fyzikálním limitům daného traktoru. Kvůli obratnosti bude vzorem pro teoretický výpočet traktor střední velikosti vybaven lesní nástavbou.

Ověřený fyzikální model interakce stroje s terénem umožňuje víceparametrickou optimalizaci a zlepšení některých provozních parametrů. Tyto výstupní parametry lze s omezenou přesností předpovědět bez fyzického testování stroje v terénu. Požadavky na vysoký pracovní výkon stroje lze odhadovat již při prvotním návrhu lesního traktoru nebo lesní nástavby traktoru a nalézt tak vhodný kompromis výsledného řešení.

Matematický model chování lesního traktoru je založen na dvou hlavních oblastech interakce:

traktor – terén

kolo – půda

Traktor-terén zahrnuje sklon terénu s nákladem a jeho vliv na zatížení jednotlivých náprav. Kolo-půda zahrnuje trakční model záběrové pneumatiky v terénu. Tento článek se bude věnovat první oblasti, tedy celému traktoru, sklonu terénu a velikosti nákladu v úvazku.

Sklon terénu je jedna z hlavních věcí určují použití těžební technologie. Mnoho vědců uvádí jako kritické svahy pro smyk mezi 30 % a 50 %, tak při výpočtech budeme vycházet z těchto hodnot. Limitní hodnoty sklonů jsou pak malým vodítkem pro obsluhu strojů, ale také pro konstruktéry nebo projektanty tras svozu.

Predikční model lesního traktoru

Technické požadavky

Mezi technické požadavky na lesní traktor patří zejména zvýšená mobilita v náročném terénu a v lesním prostředí, vysoký pracovní výkon, bezpečnost a ovladatelnost. Důležité jsou také ergonomické a environmentální požadavky, jako je snižování negativního dopadu na okolní přírodu a hodnocení vlivu používání stroje.

  • stoupavost
  • příčná a podélná stabilita
  • tahový výkon
  • tuhost konstrukce a životnost
  • požadavky na enviromentální citlivost

Na začátku si určíme několik omezujících podmínek použití lesního traktoru. Tyto hodnoty lze pak porovnat a celkově zhodnotit.

  • podmínka hmotnosti na přední nápravě alespoň 10% adhezní hmotnosti
  • podmínka hmotnosti na zadní nápravě ne více než celková hmotnost traktoru
  • podmínka podélné stability, tedy zatížení přední nápravy ku zadní nápravě alespoň 1:3,5
  • nepřetížení nosnosti zadní pneumatiky

Zvolený traktor může být některý z běžně využívaných traktorů vhodných a běžně používaných pro lesní přestavby (Valtra, Zetor, John Deere) V lesní konfiguraci je výchozí hmotnost traktoru zvýšena. Jsou přidány hmotnosti přídavných ochranných prvků kabiny, zařízení k manipulaci – lanový přibližovací naviják vzadu za kabinou s konzolí a nízký rampovač (rampovací lopata) vpředu. U takto nastrojeného traktoru dochází ke změně polohy těžiště a tedy i rozložení váhy pro přední a zadní nápravu. Výška těžiště kompletně nastrojeného traktoru nebyla přesně změřena a do výpočtů vstupuje jako odborný odhad. Dalším důležitým vstupním parametrem je poloha lanové kladky zadního štítu.

Rozložení hmoty nákladu

Při výpočtu vycházíme z předpokladu, že dřevo je uvázáno za silnější stranu, kmen je odvětven a není zcela válcovitý, ale komolý kužel. Pro vybrané hmotnosti v úvazku lze odhadnout a vypočítat, jak velká je svislá složka síly v laně.

Odpor tažení dřeva

Odpor při tažení dřevní hmoty, která se svým charakterem různorodá je dostatečně statisticky popsán z měření reálných zkoušení. Jedná se matematický model, který vychází z fyzických měření v závislosti na velikosti sklonu terénu a lze odhadnou, jak velká je vodorovná složka síly v laně.

Výpočty a výsledky

Výsledky nezohledňují trakční schopnosti pneumatik a vlastnosti terénu. Jedná se pouze o jednoduché úlohy statiky.

Velikost celkové adhezní hmoty

Svislá složka hmoty na kolech závisí na hmotnosti traktoru, sklonu a velikosti nákladu. Tato síla bude podrobněji popsána v druhém dílu. Jako hlavní proměnná bude vstupovat do trakčního modelu záběrové pneumatiky a určovat stoupavost ve svahu pro konkrétní půdu.

Graf adhezní hmoty lesního traktoru ve svahu.

Zatížení přední nápravy

Jedná se o závislost výslednice zatížení, nikoli pouze složky síly kolmé k terénu.

Graf zatížení přední nápravy lesního traktoru.

Zatížení zadní nápravy

Jedná se o závislost výslednice zatížení, nikoli pouze složky síly kolmé k terénu.

Graf zatížení zadní nápravy lesního traktoru.

Vodorovná složka síly v laně

V místech, kde křivka protíná osu y=0, tak náklad v úvazku začíná tlačit traktor. To nastává samozřejmě při jízdě ze svahu.

Graf vodorovné složky síly v laně.

Svislá složka síly v laně

Přitěžuje traktor, ale odlehčuje přední nápravu a zhoršuje tak jeho ovladatelnost a řiditelnost.

Graf svislé složky síly v laně.

Zatížení náprav

Z grafů je patrné, v jakých stoupáních dochází k omezení ovladatelnosti vlivem ztráty zatížení přední nápravy. Velice brzo se dostává k limitním hodnotám zatížení zadních pneumatik, zde velikost 16,9-30 a celkově celé nápravy. Pokud bychom posuzovali pouze zatížení pneumatik v kolmém směru na terén, tak by grafy byly příznivější protože v prudkém svahu dochází ke snižování adhezní složky síly.

Náklad 3 t

Graf rozložení zatížení náprav lesního traktoru pro náklad 3 tuny.

Náklad 4 t

Graf rozložení zatížení náprav lesního traktoru pro náklad 4 tuny.

Náklad 5 t

Graf rozložení zatížení náprav lesního traktoru pro náklad 5 tun.

Závěr

Důležitý je bod zvratu a to je situace kdy dojde k tlačení traktoru nákladem. Jde o kritický sklon, kdy je v rovnováze tíha břemene a odpor proti smyku. I když s rostoucím nákladem roste svahová dostupnost, tak při sjezdu z kopce může docházet k nebezpečným situacím a ztrátě trakce díky blokaci kol, ale i stresové situace pro obsluhu.
Větší hmotnosti ukotví traktor ve svahu a jde sjíždět větší sklony. Využitelná je i menší brzdná síla díky brzdného momentu motoru. Tímto přístupem lze teoreticky zvýšit produktivitu přibližování dřeva.

Stroje samozřejmě běžně překračují limitní svahy při práci a neexistuje žádný návod na tyto limity.

V druhé části článku se zaměříme na implementaci trakčního matematického modelu pneumatika – terén. Pracovní oblast tak ještě více omezíme pro půdní podmínky a použité pneumatiky.

Přihlaste se k odběru

Odebírejte pravidelně newsletter INACO LAB a mějte přehled o novinkách.