Precíziós növénytermesztés – mechatronika a traktorfejlesztésben

Kategória: Gépesítés | Szerző: Dr. Szente Márk MGI – Gödöllő, 2014/07/10
Címkék: gépesítés, precíziós gazdálkodás, ISOBUS, automata kormányzás, GPS, kombájn, vetőgép, permetezőgép

Az intenzív fejlesztési munkák eredményeként a mezőgazdasági traktorok a korábban megszokott merev, robusztus, „nehéz” gépekből olyan high-tech rendszerekké alakultak, amelyek teljesen új funkciókkal rendelkeznek és sokkal hatékonyabbá tették a munkavégzést. Ennek hatására például kedvezőbben alakult az energiahatékonyság, kisebb lett a légszennyezés, javult az agrotechnikai munkaműveletek minősége, a talajvédelem, valamint a traktorvezető munkakörülményei is kedvezően változtak. Mindezek a pozitív előrelépések elsősorban azoknak az új technológiáknak köszönhetők, amelyek főként a mechatronikai rendszereken alapulnak.

Számos elektronikus mérő és vezérlő rendszer és azok egymásba integrálása, összehangolása jelent meg a traktorok mechanikus és hidraulikus egységeiben. Ezeknél a megoldásoknál egy-egy adott feladat megvalósulásában kulcsszerepe van az adatkezelésnek. Ezért a ma használatos mezőgazdasági traktorokban számos mechatronikai rendszer található. Ezek közül többet össze lehet kapcsolni, vagy akár össze is lehet hangolni. Példaként néhány feladat, amelyeket ezekkel a rendszerekkel tudunk működtetni: a traktor mozgása, iránytartása, az agrotechnikai műveletek végrehajtása és ellenőrzése – a precíziós növénytermesztési technológiák kiszolgálása, kommunikáció a környezettel stb. A felsorolt feladatok végrehajtásához a következő főbb mechatronikai rendszerek találhatók a traktorokban:

A motor és a sebességváltó összehangolt szabályozása

A kutatók és fejlesztők hosszas, intenzív munkájának célja a mezőgazdasági traktorok erőátviteli rendszerének energetikai szempontból történő optimalizálása. A motortól a hajtó kerekekig tartó erőátvitelhez a fokozatmentes hajtómű tűnik a legmegfelelőbb megoldásnak. Ahhoz, hogy a munkavégzés agrotechnikai követelményeinek kielégítése mellett az optimális energiafelhasználást elérjük, az egyik kulcsfontosságú elem a motor és a sebességváltómű elektronikus szabályozásának megfelelő alkalmazása.

A motor és a sebességváltómű összehangolt szabályozási rendszere megnyitja az utat a további optimalizálási lehetőségek felé. Lehetővé válik, hogy a motor az alacsonyabb fordulatszám-tartományban üzemeljen, ami kedvezőbb fajlagos hajtóanyag fogyasztással párosul. Ezzel párhuzamosan egy adott teljesítmény szintet tartva a motor nyomatéka is nagyobb lesz. Az alacsonyabb fordulatszám és nagyobb nyomaték, mint a sebességváltómű bemenő értékei, további lépést jelentenek az energiahatékonyság területén, mivel a sebességváltómű kedvezőbb hatásfokkal tud üzemelni. Ezeket a lehetőségeket kihasználva jelentősen csökkenthető a teljes hajtóanyag fogyasztás.

A munkavégzés közbeni terhelésingadozások (amelyek jelentős mértékűek is lehetnek) a hajtóanyag mennyiségének és a sebességváltómű áttételének változtatásával, a szabályozó rendszer segítségével könnyen kiegyenlíthetők, illetve áthidalhatók.

Az erőátviteli rendszer fontossága miatt olyan újabb technológiai fejlesztések várhatók, amelyek teljesen új koncepciók bevezetését is magukban hordozhatják. Az egyik várható fejlesztési irány lehet a traktor hajtókerekében (járószerkezetében) elhelyezett hajtómű. Ezen kívül, mivel a traktorokban is egyre inkább terjed az elektromos és a hibrid-elektromos erőforrás, az elektromos kerékagy motor a sorozatgyártású traktorokban is elterjedhet (jelenleg a kutatás-fejlesztés állapotában vannak ezek megoldások).

A kerékagyanként beépített önálló motorok a jelenleg alkalmazott egyetlen „központi” motorhoz képest a következő előnyöket hordozhatják: Nincs mechanikai kapcsolat a hajtott kerekek között, így minden keréken külön-külön változtatható az adott munkakörülményekhez (talajállapothoz) az optimális nyomaték, kerékcsúszás és fordulatszám. Ezzel a lehetőséggel maximálisan kihasználható a traktor vonóképessége, csökken az energiafelhasználás, a talaj szerkezetének károsodása és a gumiabroncs kopása. Mindezeken túlmenően a kerekenkénti nyomaték- és fordulatszám-szabályozás javítja a traktor irányíthatóságát és manőverezőképességét, ami alapvető fontosságú a precíziós növénytermesztési technológiák alkalmazásakor.

Traktor járószerkezetek és fékrendszerek

Az egyik legnagyobb probléma, amit a szántóföldön üzemelő mezőgazdasági gépek okozhatnak, azok a vízszintes és függőleges erőhatások, amelyekkel a terepen mozgó jármű kerekei a talajra hatnak. Ezek az erőhatások egyrészt tömörítik a talajt, másrészt a kerékcsúszás következtében porosítják azt. Ezeknek a káros hatásoknak a csökkentésére hosszú ideje folynak kutatások. Ezen a területen az egyik legígéretesebb lehetőségnek tűnik a traktor vázszerkezetére szerelt eszközök segítségével a járószerkezet előtti talaj szerkezetének, paramétereinek meghatározása.

Ahhoz, hogy ez megvalósítható legyen, az érzékelők fejlesztése és az adatfeldolgozás területén nagy előrelépésnek kell történnie. Megoldás lehet egy olyan rendszer kifejlesztése, amely képes ellenőrizni a talaj nedvességtartalmát, mint az egyik kulcsfontosságú paramétert, ezzel párhuzamosan pedig a megfelelő lézertechnológia segítségével mérhető a gumiabroncs talajba süllyedésének mértéke. A nedvességtartalom és a gumiabroncs talajba süllyedésének ismeretével információt kaphatunk a talajfeszültség állapotáról. Ezt az adatot felhasználva automatizálható a gumiabroncs belső nyomásának szabályozása az optimális vonóképesség, illetve a legkisebb talajtömörítő hatás függvényében.

A traktor vonóképességének, illetve a menetbiztonság és manő­verezőképesség növelésének másik módja az aktív rugózási rendszerek alkalmazása. Az aktív rugózással szerelt első (és hátsó) hidakkal optimális kapcsolat jöhet létre a járószerkezet (gumiabroncs) és a talaj között.

A traktorok megnövekedett végsebessége miatt azok fékszerkezeteiben is jelentős változás következett be. Jelenleg folyamatban van az ABS, mint szabályozó rendszer, kötelező bevezetése (bizonyos vég­sebességhatár feletti traktorokra). A traktorvezető munkájának megkönnyítésére már most is léteznek különböző szabályozó rendszerek. Ilyen a hegymeneti elindulást segítő rendszer. Másik működő rendszer a lejtmenetben szabályoz, megakadályozva a pótkocsi ráfutását és „bebicskázását”. A fokozatmentes hajtóművel szerelt traktorok esetén lejtmenetben elegendő lelépni a gázpedálról és a rendszer a kerékcsúszás függvényében automatikusan növeli a sebességváltómű áttételét, lelassítva a traktor-pótkocsi szerelvényt.

A traktor vezetésének és a munkagép szabályozásának automatizálása

A traktor vezetésének és a munkafeladatok végrehajtásának automatizálása, ez az a terület, ahol a legnagyobb fejlődést érték el a mechatronikai és automatizálási szabályozó rendszerek. A traktor-munkagép gépkapcsolat vonatkozásában a szántóföldi munkavégzés teljes automatizálása az ide­ális állapot. E mellett természetesen vannak olyan utólag gyártott rendszerek is, amelyek olyan traktorokba is beépíthetők, amelyek eredetileg nem rendelkeztek ezekkel a megoldásokkal, felszereltséggel. Ezt az eredményt egyrészt a traktor és a munkagép széles skálájú szabályozó rendszereinek alkalmazásával és azok hálózatával lehetett elérni. Másrészt szükség volt a különböző navigációs rendszerek és a megfelelő szoftver megoldások kifejlesztésére is. Ha a traktor olyan körülmények között üzemel, ahol nem elérhetők vagy nem megfelelő minőségűek a navigációs műholdak jelzései, vagy amikor további igények jelentkeznek az iránytartás precizitásában, akkor lézer érzékelőket alkalmaznak. Ugyancsak lézeres vagy ultrahangos berendezéseket alkalmaznak akkor is, ha az egyes növények vagy azok részeinek érzékelése, helyzetmeghatározása a feladat.

Fontos szempont, hogy az automatikus rendszereket felhasználóbarát módon tervezzék, mert csak így várható el, hogy teljes mértékben kihasználják a rendszerekben rejlő lehetőségeket. Ezen kívül a felhasználóbarát megoldás azt is feltételezi, hogy a rendszerek működtetéséhez szükséges tudás könnyen, túlzott tanulási igény nélkül megszerezhető legyen, ellenkező esetben könnyen a felhasználók ellenállásába ütközhet a rendszerek bevezetése.

A traktor munkája a szántóföldön a különböző műveletek rendszeres ismétlődésével jellemezhető. Erre lehet egy példa, amikor a traktor a tábla végére ér és megfordul, hogy új fogásba (sorba) álljon. Ilyenkor a következő műveletek játszódhatnak le: az eke kiemelése, megfordulás, az eke munkahelyzetbe süllyesztése; a TLT hajtás, a differenciálzár és az összkerék hajtás ki- és bekapcsolása; a motor és a sebességváltómű szabályozásával a haladási sebesség megváltoztatása stb. Ezek a műveletek az elektronikus vezérlő és szabályozó rendszerek segítségével automatizálhatók, ezáltal csökken a traktorvezető terhelése, növekszik a termelékenység és javul a munkaminőség. Az automatizálás a különböző, egymáshoz kapcsolódó műveletek programozásával valósítható meg oly módon, hogy az automatizált műveletet az adott igényekhez igazítjuk. Az ilyen automatizálás a motor, a sebességváltómű és a hidraulikai rendszer szabályozásának közös hálózatba foglalását igényli. Mindezek mellett a navigációs rendszer adatai is felhasználhatók a traktor táblavégi fordulójának automatizálásához. A navigációs rendszer adatainak használata az alapja a traktor precíz sorvezetésének is (automatikus kormányzás). Ennek alkalmazása még további számos előnnyel jár, ilyen előny például: a traktor és a munkagép pontos helyzetbe, vagy a következő sorba állítása, a munkaműveletek átfedésének csökkentése, az emberi hiba lehetőségének mérséklése stb. Mindezek eredményeként növekszik a termelékenység, javul a munkaminőség, ezzel párhuzamosan csökken az üzemanyag és az egyéb anyagok, mint a műtrágya és növényvédő szer felhasználása.

Egyéb rendszerek

A traktor, mint jármű mechatronikai rendszerei mellett más rendszerek fontosságára is fel kell hívni a figyelmet. Ezek közé tartoznak a különböző kommunikációs rendszerek, amelyek lehetővé teszik a szabályozáshoz és az ellenőrzéshez (monitoring) használt adatok továbbítását. Az elektronikus rendszerek elemeinek hálózatba kapcsolásához, az adatok cseréjéhez és kezeléséhez a CAN-bus rendszert alkalmazzák. A traktor és a munkagép elektronikus rendszerei közötti kommunikáció az ISO-bus csatlakozón keresztül történik, ami a munkagép igényei szerint további automatizálási lehetőségeket is kínál a munkafolyama­tok és a traktor szabályozásában (ez a „munkagép vezérli a traktort” elv).

Ajánlott kiadványokDimitrievits György – Gulyás Zoltán:
A növényvédelem gépesítéseTakácsné György Katalin:
A precíziós növénytermelés közgazdasági összefüggéseiLigetvári Ferenc (szerk.):
Földmérési és térképészeti alapismeretekHerdovics Mihály – Komka Gyula – Tóth László:
A sertéstartás és -takarmányozás gépesítése

Ez is érdekelhetiPetíció indul a magyar vidék erejének kifejezéséértMegjelent a kertészeti üzemek megújítását támogató pályázati felhívásMezőgazdasági gépek fejlesztési irányai