Szecskavágótól az agrárinformatikáig - A járvaszecskázó gépek fejlesztése

Kategória: Növénytermesztés | Szerző: Dr. Bense László Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, 2017/12/13

Hihetően hangzó történetek terjedése nem csak az urbánus környezet jellegzetessége (városi legendák), legalább olyan jól megélnek ezek vidéken is. Diákkoromban mélységesen egyetértettem azzal a nézettel, hogy a ’70-es és ’80-as évek mezőgazdasági gépparkja azért volt olyan szedett-vedett, mert „a tsz-elnök és a főkönyvelő utazott a vágyott Nyugatra valutáért gépet vásárolni. Bezzeg a hozzáértő gépészmérnököt költségkímélésből otthon hagyták.” Ez arról jutott eszembe, hogy napjainkban egyre többen teszik fel nekem kérdést: „Melyik traktort (kombájnt, szecskázógépet stb.) válasszam?” Én pedig általában csak hebegek-habogok, hogy az attól függ… és a végén továbbadom a labdát valamelyik rendszerintegrátornak.

Pedig olyan csodaszép műszaki megoldásokat tudnék javasolni kétszáz millióért. De kinek van arra szüksége? Annak, aki ki tudja használni a modern technikát. És ez az, amit én nem tudhatok. Vajon a kérdező mekkora földterületen gazdálkodik, milyen műszaki kiszolgáló rendszerbe, és milyen közgazdasági környezetbe kellene beilleszteni az új gépet? Lehet, hogy nem is volt butaság a főkönyvelőt küldeni gépet vásárolni!

De frissebb legendát is tudok mesélni. „A mai gépek sokkal szebbek, de egyre rosszabb a minőségük.” Ez is a hihetőnek tűnő történetek közé tartozik, hiszen ha a formatervezés nyelvén egyre rövidebb csereperiódusra beszélik rá a fogyasztókat, miért is kellene energiát fektetni a gépek hosszú élettartamába? Mégis, ha utána számolunk, a mai gépek sokkal kisebb fajlagos üzemeltetési költség mellett hosszabb hibamentes futást garantálnak. Az áramvonalidom pedig nem azért került fel a traktorra, mert az autópályán szeretnének vele száguldozni, hanem annak a folyamatnak a melléktermékeként, hogy a hagyományos gépkonstruálásról áttértek a terméktervezésre, amely az előírt funkciók teljesítése mellett éppúgy figyelembe veszi a marketing szempontjait, mint akár a gép élettartama végén a környezetkímélő ártalmatlanítás igényét. Innen egyenes út vezet a rendszerben gondolkodáshoz. Nem önálló szigetként tervezik meg a gépeket, hanem egy technológiai sor elemeként. Ha a technológiában elágazási pontok vannak, akkor vagy több célgépet kell bevetni, vagy alkalmazkodó, átalakítható gépet kell a technológiába illeszteni. Erre jó példa egy modern járvaszecskázó gép.

Fejlesztés vagy bonyolítás?

Kevés egyszerűbb gép van egy szecskavágónál. Két alapvető főegységre van csupán szüksége a helyes működéshez. Az etetőszerkezetre, amelynek hengerei továbbítják az szecskázandó anyagot, valamint az aprítószerkezetre. Alapvetően az alapanyag előretolási sebessége határozza meg az aprítás mértékét, amelyet a szecskahosszúsággal jellemzünk. Az aprítás mértékének megítélésekor tehát nem a levágott darabkák legnagyobb méretét nézzük, ami például egy kukoricacsőből leszelt korong esetén nyilvánvalóan a csőátmérő lenne, hanem a vágott felületek közötti távolságot. Ennek több oka is van. Egyrészt az aprítási technológia csak erre a méretre van hatással, másrészt a szecskahosszúság egyúttal a szerkezeti rost méretét is meghatározza, amely alapvető szempont a kérődző állatok takarmányozása során.

A gépkönyvben megadott beállítható szecskahosszúságok csak elméleti méretek, az aprítékhalmazban a részecskék valódi mérete statisztikai változó. A gép csak abban az esetben lenne képes az elméleti szecskaméretet produkálni, ha az alábbi egyébként lehetetlen feltételek teljesülnének:

• az aprítandó növény szárának hosszúsága végtelen (más esetben ugyanis véglevágási törmelék keletkezik);
• a szárátmérő tart a nullához, és egyrétegű az adagolás (így a vágás közbeni deformáció elhanyagolható lenne);
• a szárakat egymással párhuzamosan és a vágószerkezetre merőlegesen toljuk előre;
• az etetőszerkezet hengerei nem csúsznak meg az anyagáram fölött (különben az aprítódob vágás nélkül húzza be a szárakat);
• az aprítószerkezet fordulatszáma nem ingadozik.

A szecskázószerkezetek kezdeti fejlesztési céljai ezeknek a torzító hatásoknak a kiküszöbölésére irányultak, és egészen messzire jutottak a szerkezet lényeges bonyolítása nélkül. A szárvastagsággal és -hosszúsággal természetesen nincs mit kezdeni, de a szárak rendezett, csúszásmentes behúzása és az aprítószerkezet járásegyenletessége javítható.

Az egzakt szecskázók kora

Mi okozza az aprítószerkezet egyenetlen járását? Akár tárcsás, akár dobos aprítószerkezetet alkalmazunk, a forgórészen elhelyezett mozgókések periodikusan tömörítik és vágják át a megtámasztást végző állókésnek szorított terményt. A gerjesztő frekvencia a kések számától és a fordulatszámtól függ. A tárcsás szecskázóknál, ahol a mozgókések a húsdaráló késtárcsájához hasonlóan helyezkednek el, a változó vágási ellenálláshoz az is hozzájárul, hogy a metszés kezdetén meredekebben állnak a kések, mint az aprított anyagon áthaladva. A metszési szög úgy tartható állandóan az optimális értéken, ha huszárszablyaszerűen görbített pengét használunk. Ez csökkenti ugyan a vágási ellenállást, de megnehezíti a kések élezését. Kezdetben többségben voltak az önkidobó rendszerű szecskázószerkezetek, amelyeknél további jelentős energiaigényt jelent az anyagáram felgyorsítása és továbbítása. A dobólapátok a késtartóra vannak felszerelve, ezért az anyagáram a vágási frekvenciával azonos ritmusban fékezi a dobot.

Hogyan javítható a szecskázódob járásegyenletessége? A gépszerkesztők számára az okozza a legnagyobb kihívást, hogy legtöbbször egymásnak ellentmondó feltételeket kell a gépnek egy időben teljesítenie. A fejlesztés eredménye tehát mindig egyféle kompromisszumos megoldás lesz. Ha valamely paraméteren javítunk, egy másik biztosan leromlik, és el kell döntenünk, hogy műszaki, technológiai vagy gazdasági optimumra törekedjünk. A szecskázószerkezetet érő periodikus fékezőhatás nagy tehetetlenségű szecskázódobbal győzhető le. Ekkor természetesen számolni kell a felgyorsításhoz szükséges többlet teljesítményigénnyel, valamint a hajtómű rántásszerű túlterhelésével, a reteszek elnyíródásával. Erőzáró hajtás (ékszíj) és rugalmas tengelykapcsolók alkalmazásával a túlterhelés csökkenthető, de ezek rezgései a dob járásegyenletességét rontják.

Látszólag bezáródott tehát az ördögi kör, azonban a hajtómű rezgései ferdén elhelyezett kések esetén azok fűrészelő mozgását eredményezik, ami jelentősen csökkenti a vágóerőt. Ha kisebb a gerjesztő ellenállás, csökkenthető a dob tömege. Nem kívánom a teljes fejlesztési spirált végigkövetni, a lényeg az, hogy a nagy gépgyártók egymástól függetlenül az úgynevezett röviddobos szecskázók mellett tették le a voksukat (1. táblázat). 

1. táblázat. A modern szecskázószerkezetek jellemző méretadatai

Az 1 m alatti dobszélességű, úgynevezett egzakt szecskázógépek sokkal jobb minőségű takarmányt produkálnak, pedig csak a geometriai méretek, tömegek, fordulatszámok és késhézagok optimalizálása történt meg. A szerkezet alapvető felépítése nem változott.

Az adapter adaptere

Az arató-cséplő gépek mintájára a szecskázógépeket is úgy alakították ki, hogy adaptálhatók legyenek különböző növényfajokhoz és betakarítási technológiákhoz. Ha belegondolunk, végül is az etetőszerkezet elé szerelt betakarító adapter teszi lehetővé a szecskázógép mobil üzemeltetését.
Magyarországon két alapvető tartósítási technológia terjedt el: a szilázst kukoricából készítik, a szenázst lucernából. Előbbihez soros vagy sorfüggetlen silókukorica-vágóasztalt, az utóbbihoz rendfelszedő adaptert szerelnek fel a járvaszecskázó gépre. A szenázskészítéshez ugyanis két menetre van szükség, előbb renden kell fonnyasztani a lucernát. A rendfelszedő adapter működése megegyezik a bálázógépeknél megismerttel, legfeljebb valamivel nagyobb munkaszélességre van szükség.

2. táblázat. A modern járvaszecskázó gépek jellemző adapterkialakításai

Napjainkban a sorfüggetlen megoldás kiszorítani látszik a hagyományos silókukorica adaptereket (1. ábra). Működési elve – a szárrendező dobokra szerelt ellenpengével vágó forgókasza – már több mint huszonöt éve, a Kemper Champion 3000-es típusának piacra dobása óta ismert. A szerkezet lehetővé teszi, hogy sűrűn ültetett állomány, illetve a sorokra merőleges vagy azzal bármilyen szöget bezáró irányban haladó gép esetén is rendezetten jusson el a lekaszált termény az etetőszerkezethez.

1. ábra. Modern sorfüggetlen vágóasztal (Claas Orbis)

Előfordul, hogy az arató-cséplő gép adaptereit kapcsolják a járvaszecskázó gépre, amelyhez a vágóasztal, és az etetőszerkezet közé további illesztő adaptert kell szerelni. Ilyen technológia például a CCM (Cob Corn Mix) készítés. Hűvösebb éghajlati övekben, ahol a kukorica nehezen érik be, gyakran a szemes kukoricát is savanyítva tárolják. A szemtermés nedvességtartalma azonban már kevés a fermentáció beindításához, ezért a csutkát is közé aprítják. Ehhez az arató-cséplő gép csőtörő adapterét illesztik a szecskázógépre, tehát a szárat nem, csak a kukoricacsövet aprítják össze. Németországban (és újabban hazánkban is) kalászosokból (árpa) és keveréktakarmányokból (zabos-bükköny) is készítenek szenázst. Ekkor a kombájn gabona vágóasztalát használják.

Az etetőszerkezetek fejlesztése

Az adapterek megjelenésével az etetőszerkezet feladatai is bővültek. Meg kell birkóznia a különböző szárvastagságú, rendezettségű, tág tartományban változó térfogatáramú termények továbbításával, és meg kell védenie a szecskázószerkezetet az idegen tárgyaktól. A rendfelszedő szerkezet, illetve az alacsony tarlóval dolgozó vágószerkezetek képesek köveket vagy a munkagépekről elveszített fémdarabokat is felszedni a földről. A legegyszerűbb biztonsági megoldás az alsó továbbító hengerek bordázott kialakítása, amelyek barázdái a kisebb tárgyakat kihordják az anyagáramból. A nagyobb idegen tárgyak elleni védelem elektronikus felügyelet nélküli gépek esetén nem oldható meg az etetőszerkezetben, azok mindenképpen bekerülnek az aprítószerkezetbe. Ott azután vagy összemorzsolódnak, vagy a biztonsági ellenpenge kibillenve a túlterhelés alatt megvédi magát a töréstől. Az elektronikus biztonsági rendszer a nem mágnesezhető tárgyak jelenlétére az etetőrés tágulási dinamikájából következtet, míg a vasfémeket elektromágneses fémdetektorral érzékeli. Mindkét esetben automatikusan leállítja az anyagáram továbbítását. Az elfogott idegen testtől a tömörítőszerkezet visszaforgatásával lehet megszabadulni.

Figyelem! Az elakadást okozó tárgyat el kell távolítani a takarmány közül, és lehetőleg ki kell szállítani a tábla szélére, hogy ne okozhasson más munkagépekben sem kárt. A fémdetektort az etetőszerkezet első-alsó tömörítő hengerének belsejében rejtik el. A szerkezet csak akkor működik, ha a környezetében mágnesezhető fémtárgyak nincsenek. Ez vonatkozik a hengerek anyagára is, amelyeket ausztenites (rozsdamentes) acélból kell készíteni. Javító hegesztéskor is azonos tulajdonságú hozaganyagot kell használni, különben egy vérbeli rejtett hibát sikerül beépítenünk a szerkezetbe!

Az etetőszerkezet technológiai méretezése alatt a tömörítő hengerek átmérőjének megválasztását értjük. Ez is egy tipikus optimalizálási feladat, hiszen két ellentétes feltételnek kell egyszerre eleget tenni. Minél nagyobb a henger átmérője, annál jobb a behúzó hatása, és kevésbé csúszik meg rajta az anyag. A véglevágási veszteség csökkentése érdekében viszont a lehető legkisebb hengerátmérő kiválasztására kell törekednünk, mert ezáltal az etetőszerkezetet közelebb lehet tolni az állópengéhez. A megoldást a többlépcsős tömörítés alkalmazása jelenti.

Az etetőszerkezet biztonsági visszaforgatása kezdetben elektromos hajtással történt, de ehhez az üzemi ékszíjhajtást előbb oldani kell, ráadásul a 12 V-os villanymotor nyomatéka néha kevésnek bizonyul. Hidrosztatikus meghajtással mind a forgásirányváltás időigénye, mind a visszahajtás nyomatéka optimális lehet, és megoldható a szecskahosszúság fokozatmentes beállítása is (2. ábra).

2. ábra. Kétlépcsős etetőszerkezet hidrosztatikus meghajtással (Claas Jaguar)

Hibrid aprítószerkezetek

A mezőgazdasági termelés ma már nemcsak az élelmiszer- és takarmány-előállítást szolgálja, hanem egyre több ipari célra hasznosítható alapanyagot is előállít. Gondoljunk az építőipari szerkezeti és szigetelőanyagokra, a megújuló energiahordozókra, a műanyag- és gumiipari töltőanyagokra. Valamennyi technológia előkészítési műveletei között ott szerepel a szecskázás, hiszen az apríték szállítása könnyen gépesíthető, kedvező a tárolótér kihasználása, tápértéke jól hasznosul, kisebb energiaráfordítással szárítható, és még sorolhatnánk az előnyöket.

Az alkalmazott szecskahosszúságot technológiai és gazdasági szempontok határozzák meg. A szecskázógép jelentős energiafogyasztó, ezért célszerű a technológia által megengedett legnagyobb szecskahosszúságot választani. Az alomszalmát elegendő 60–80 mm közötti méretre darabolni, a savanyítással tartósított takarmányokat az élettanilag előnyös szerkezeti rosttartalom miatt 10–30 milliméteresre érdemes szeletelni, és csak a továbbszárított termények (lucernaliszt vagy tűzipellet) alapanyagát szükséges 10 mm-es méret alá aprítani. Ezek az eltérő igények az etetőszerkezet sokfokozatú vagy fokozatmentes beállításával könnyen teljesíthetők, de egyéb technológiai igények miatt a korszerű gépek tulajdonképpen a szecskázás mellett darálást is végezhetnek. Két utóaprítási módszer közül választhatunk:

• Vékony szálú növények esetén zúzókosarat szerelünk az aprítószerkezet alá, mert a megnövelt térfogatáram miatt az etetőszerkezet szorításából a szecskázókések hosszú szálakat húznak be. A kosár tulajdonképpen a kalapácsos daráló elvét követve addig nem engedi távozni a szecskázótérből a takarmányt, amíg az a megfelelő méretet el nem éri.
• Ha magas szemtermés-tartalmú takarmányt kell aprítani, akkor magroppantó szerkezetet építünk be, amely a hengermalom elvén dörzsöli szét a szemeket.

Az anyagáram útját a 3. ábrán követhetjük nyomon egy hibrid aprítószerkezetben. A képen csak a zúzókosár helyét mutatja a nyíl, hiszen zúzókosarat és magroppantó hengereket együtt nem alkalmazunk.

3. ábra. Az anyagáram útja egy korszerű szecskázógépben [1]

Legjobban a réselt zúzókosár esetén hasonlít az utóaprítás művelete a kalapácsos daráló működéséhez. A kosár a legnagyobb részecskeméretet határozza meg, és nagyon sok apró törmelék keletkezik. Nagyobb baj ennél, hogy a szerkezet annyira lefojtja az anyagáram lendületét, hogy légáramú szállítás nélkül nem is működőképes a szerkezet. Újabb gépeknél ezért a dörzsléces kosárszerkezetet részesítik előnyben, amelynél a szecskázódob alatt elhelyezett bordázott lemez úgy működik, mintha megsokszoroztuk volna az állópengét. Természetesen ezeknél a bordáknál nincs meg az egzakt vágás feltétele, a zúzó hatás mégis kielégítő. A zúzott felület a tartósítás és az emészthetőség szempontjából is előnyös, ezért a bordákat gyakran a cséplőgép verőlécéhez hasonló dörzslemezekre cserélik.

A kukorica beltartalmi értékének több mint fele a szemtermésben található. A mai silókukorica hibridek a szemtermés teljes érési állapotában még elég nagy zöld tömeggel rendelkeznek a fermentációhoz, a beérett kukoricaszemek azonban már nem kenődnek szét a szecskázószerkezetben. Mindenképpen szükség van magroppantó szerkezet alkalmazására.

Az 4. ábrán nyomon követhető a szerkezet működési elve. A kukoricacsőből levágott korongokat és lemorzsolódó egész kukoricaszemeket is tartalmazó szecska két összefelé forgó bordázott henger között halad át. A hengerek között néhány százalékos fordulatszám-különbség van, ezért a közéjük kerülő magokat szétdörzsölik. A munka minősége a bordázat kialakításától, a résmérettől és a fordulatszám-különbségtől függ. A kis résméret miatt a levélfrakció kivételével minden összetevő zúzódik. Léteznek tárcsás felépítésű magroppantók is, amelyek akkor is kifejtenek dörzsölő hatást, ha a két tárcsasor fordulatszáma azonos, hiszen a takarmány az egyik forgórész tárcsájának nagy átmérőjű részével, a másiknak pedig a kis átmérőjű részével (tehát eltérő kerületi sebességű pontokkal) érintkezik.

4. ábra. Magroppantó (corn-cracker) megoldások

Bármilyen utókezelő szerkezetet építünk be a járvaszecskázó gépbe, azok fojtást jelentenek az anyagáramban, és az aprítószerkezet már nem képes kifújni a szecskát. A kiegészítő zúzószerkezetek alkalmazásakor anyagtovábbító dobóventilátort is be kell építeni.

Elektronika = a végtelen fejlődés lehetősége

A járvaszecskázó gépek 50 éves történelmét végignézve megállapíthatjuk, hogy az aprítás technológiája alig változott. A módosításokat tekinthetnénk egyfajta finomhangolásnak is, ha közben a tömegteljesítmény nem növekedett volna 50–70 t/h-ról 150–250 t/h-ra, a motorteljesítmény 100–120 kW-ról 300–600 kW-ra, a szecskaméretek nem csökkentek volna 10 mm alá, a vontatott- és tárcsás szecskázógépek nem szorultak volna háttérbe, a gyártástechnológia nem tért volna át az öntvény technikáról a hegesztett szerkezetek alkalmazására. Ezek a változások azonban alapvetően nem műszaki okból következtek be. Nagy teljesítményű dízelmotorok már az 1940-es évektől rendelkezésre álltak, de ameddig a mezőgazdasági termelés a 40–100 kW-os univerzális traktorokra alapozott, a szecskázástechnika is ehhez igazodott. A magajáró gépekkel azután megkezdődött a fokozatos teljesítménynövekedés. Ugrásszerű változást azonban az elektronikus támogatórendszerek megjelenése hozta meg, mintegy mellékhatás képpen.

Nehéz elképzelni, hogy egy egyszerű hőmérő, amely a motor üzemelését ellenőrzi, milyen fejlődési lavinát indíthat el. Ha a munkavégző szervek működésének kontrollját a gépkezelő érzékszerveire bízzák, általában túlbecsüli a gépterhelést ez pedig erősen limitálja a gép teljesítményének kihasználását. Ha a gépkezelő bízhat benne, hogy a jelzőberendezések időben értesítik a nem üzemszerű gépműködésről, akkor figyelmét a kormányzásra, a vágószerkezetre, a követő pótkocsis szerelvény mozgására tudja koncentrálni, és végső soron növelni tudja a haladási sebességet is. Így tudja javítani az ergonómia a teljesítményt.

A munkagép beállítószerveinek távműködtetése a technológiai és műszaki kiszolgálás idejének csökkentésével képes a műszakteljesítményt növelni. Ma már minden járvaszecskázó gépben van beépített köszörülő szerkezet. Az a konstrukció van előnyben, amelynél az élezés után a késhézag beállítása is automatikusan történik. Ez nem magától értetődő lehetőség, hiszen ekkor az állópenge érintőfogást vesz a szecskázódobon, amely szerencsétlen esetben késtöréssel is járhatna. Hidrosztatikus meghajtás esetén a gépkezelő a fülkéből tudja a kívánt szecskahosszúságot kiválasztani, az etetőszerkezet fordulatszámának fokozatmentes megváltoztatásával. Távműködtetéssel módosítható a zúzóhatás a magroppantó hengerek közötti távolság állításával, sőt a szerkezet kikapcsolása is megoldható szerelés nélkül, pedig ehhez oldani kell a hajtásláncot, ki kell billenteni a hengereket az anyagáram útjából, és egy koptatólemez becsúsztatásával helyre kell állítani a kifúvó csatorna folytonosságát.

Még nem robot

Cikkem elején leszögeztem, hogy ma már egy technológiai sor részeként tervezik a gépeket. Precíziós gazdálkodási környezetben a járvaszecskázó gépnek is illeszkednie kell a rendszerbe, hiszen így a folyamatos üzemet biztosító szolgáltató hálózat szerveződik a gép köré. Mivel az alapgép rendelkezik egy CAN BUS rendszerű belső kommunikációs hálózattal, ez nem is ütközik különösebb nehézségbe. Adatgyűjtő és adatmegosztó szolgáltatásokkal bővítve a rendszert olyan funkciók érhetők el, mint például a műholdas navigáción vagy vizuális érzékelőkön alapuló, valós idejű automatikus kormányozás, a táblatérképezés, az áteresztő képesség és a termény nedvességtartalmának mérése, a fermentációt segítő készítmények adagolása, a teljesítményadatok és az esetleges meghibásodások automatikus naplózása. A napló adatai mágneses adathordozón vagy mobil internetkapcsolaton keresztül az irodai számítógépre áttölthetők. Ez alapján a munka végén jegyzőkönyv is nyomtatható, amely bérmunka végzésekor kiváló alap lehet az elszámoláshoz.

A legújabb fejlesztések a gépek közötti kommunikáció kiterjesztésére irányulnak. A szecskázógép számítógépe kapcsolódik a közelben tartózkodó traktorok hasonló fedélzeti eszközeihez, és segít mozgásuk összehangolásában. Rakodás közben a követő traktor sebességét és kormányzását a betakarítógép határozza meg. Az 5. ábrán látható vizuális rakodássegéd még nem ezen az elven dolgozik, de ez legalább már megrendelhető.

5. ábra. Vizuális rakodássegéd

Automatikus gépbeállítás és kormányzás, önálló navigáció, gépek egymás közötti kommunikációja. Mint látjuk, a mezőgazdasági robotok elterjedésének ma már nincs műszaki akadálya, és a járvaszecskázó gép nem a sor végén áll, ha a robottechnika bevezetéséről van szó.

Köszönetnyilvánítás: A cikk összeállítását az Agrárinformatikai Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ létrehozása című, FIEK_16-1-2016-0008 számú kutatási projekt támogatta.

Ajánlott kiadványokDr. Hajdú József:
A 21. század traktoraiDr. Kukovics Sándor szerk.:
A bárány- és juhhús fenntarthatóságaDr. Bai Attila (szerk.):
A biogázBai Attila - Lakner Zoltán - Marosvölgyi Béla - Nábrádi András:
A biomassza felhasználása

Ez is érdekelhetiFejlesztés előtt: Brojleristállók építéseBorászat: A korrupció marketingeszköz - a francia és magyar paradoxonFontos változások a földforgalmi szabályokban