Pracovní nástroje zemědělských a stavebních strojů pro zpracování půdy (plužní čepele, dláta, odhrnovačky, plazy, radličky kultivátorů, hroty bran, zuby a lžíce bagrů, radlice buldozerů a rypadel) jsou v půdě vystaveny dynamickému zatížení, intenzivnímu abrazívnímu opotřebení a chemickému působení okolního prostředí. Rychlý úbytek materiálu a změna tvaru pracovního ostří nástroje vyžadují vyšší náklady na provoz, renovaci a obnovu zařízení, ale také i na nežádoucí prostoje stroje. Abrazívní opotřebení je možné snižovat na přijatelnou míru vhodnými technologiemi a výběrem materiálu na výrobu celého nástroje nebo na jeho část v oblasti největšího opotřebení.
Problematika opotřebení plužních čepelí
V důsledku snižování obsahu humusu v půdě a utužování půdy těžkými mechanismy se podstatně zvýšil půdní odpor, přičemž se pracovní (pojezdová) rychlost při zpracování půdy zvýšila. Zvýšilo se i měrné energetické zatížení výkonu tažných strojů (soupravy) na hektar. Uvedené faktory vyústily k požadavku jakostnějších nástrojů na zpracování půdy a jsou bezprostředně vázané k problému odolnosti proti opotřebení, hlavně takových součástí, na kterých závisí kvalita vykonaného technologického procesu. Dále není možné opomenout vliv práce s opotřebenými nástroji na růst spotřeby paliva tažného stroje.
Typickým příkladem pracovního orgánu zemědělského stroje pro zpracování půdy (orby), u kterého je tento problém intenzivního abrazívního opotřebení velmi aktuální, je čepel pluhu. Současná metodika zkoumání tohoto problému se dosud opírá o hledání vhodných materiálů a vhodného tvaru nástroje pro typy půdy, s návazností na optimalizaci výměn opotřebovaných čepelí pracujících v abrazívním prostředí. Dlouhodobě je středem pozornosti hodnocení orebních nástrojů, protože jakost čepele má významný vliv především na celkovou hospodárnost orby. Toto hodnocení zpravidla vyúsťuje do dvou základních postojů. Buď je negativně hodnocena nízká úroveň životnosti čepelí s ohledem na veškeré vyplývající důsledky, nebo vysoká pořizovací cena. Dílčí ukazatele se projeví v jednotkových nákladech na orbu a tyto náklady jsou ovlivněny podmínkami orby.
Na orebním odporu radlice se významně podílí čepel, která překonává odpor půdy proti řezání, třecí sílu na pracovní ploše čepele a složku tíhy, která vzniká zvedáním skývy při jejím pohybu po čepeli. Při zkoušení čepelí se měří spotřeba paliva orební soupravy, což je současně souhrnný ukazatel pro hodnocení nákladů na orbu. Růst orebního odporu vede ke zvýšení spotřeby paliva a ke snížení celkové účinnosti práce traktoru, protože se zvýší prokluz. To se samozřejmě výrazně projeví při zhoršených klimatických podmínkách, kdy podíl nárůstu spotřeby paliva je větší než podíl zvýšení tažného odporu. Rovněž půdní podmínky mají výrazný vliv na opotřebení čepele. Především v půdách kamenitých je důležitá houževnatost čepelí a jejich odolnost vůči lomům a deformacím. Hrana ostří, která přijde do styku s kamenem, je velice tvrdá a náchylná především k lomu.
Metodika zkoušek opotřebení
Zkoušky různých plužních čepelí na opotřebení a jakost orby se provádějí jak u nás, tak i v zahraničí. V současné době se zkoušky plužních čepelí neprovádějí samostatně na přání zákazníků, ale jako součást testu pluhu nebo v působnosti výrobců čepelí, zkušeben a vysokých škol.
Plužní čepele lze zkoušet v reálných půdních podmínkách nebo modelovat v laboratorních podmínkách. Provozní zkoušky umožňují využít půdních podmínek, i když jsou často z organizačních důvodů omezeny okruhem zájemců o provádění provozních zkoušek a jejich zájmu zorat určité pozemky. Hlavní nevýhodou těchto zkoušek jsou proměnlivé podmínky v jejich průběhu. Je to dáno tím, že pro dostatečné opotřebení pracovních nástrojů, z kterého lze vyvodit reálný závěr, je zapotřebí zpracovat plochu půdy o výměře desítek až stovek hektarů, což obvykle trvá několik týdnů až měsíců. V průběhu této doby se mění klimatické a půdní podmínky (složení půdy, její vlhkost a utužení). Z toho plyne obtížnost vzájemného porovnání mezi jednotlivými zkouškami. Při zkoušce se zjišťuje plošná výměra, kterou zpracuje jedna plužní čepel až do doby mezního opotřebení. Vzhledem ke skutečnosti, že v závislosti na pracovních podmínkách se může u stejné čepele životnost výrazně lišit, jsou tyto zkoušky prováděny jako srovnávací. Naproti tomu laboratorní zkoušky zahrnují zkoušky plužních čepelí v půdním kanálu, při kterých lze měřit síly působící na čepel při jejím pohybu v půdě a jejich opotřebení. Do těchto zkoušek jsou zahrnuty i zkoušky vzorků materiálů nebo vzorků čepelí v půdním kanálu nebo na tribometru. Výhodou těchto zkoušek je možnost volby půdního prostředí, jeho vlhkosti a utužení, vše bez závislosti na ročním období. Vyhodnocení zkoušek je pohotově prováděno v laboratoři.
V současné době jsou v České republice používány plužní čepele z kované a lité oceli. Běžně byly používány pro výrobu čepelí uhlíkové ušlechtilé oceli 12 060. Dnes se používají i lité čepele z vysokopevnostní, otěruvzdorné oceli (označené VPH), nízkolegované chromem, molybdenem, niklem a wolframem a čepele kované ze zušlechtěné oceli 13 340.6, která je nízkolegovaná manganem a křemíkem. Vyrobené čepele jsou celoobjemově kalené s hoblovaným ostřím na tloušťku minimálně 1 mm. Dovážené plužní čepele pod názvem Mölbro, Gouvy, Kverneland a Lemken odpovídají ekvivalentu české uhlíkové oceli 12 042 tepelně zpracované na průměrnou tvrdost 45 HRC.
Uvedené čepele tuzemské i z dovozu byly podrobeny orebním zkouškám, prováděných v rámci výzkumného projektu technické fakulty ČZU, a byla hodnocena jejich odolnost vůči opotřebení. Rovněž je snahou uplatnit u zemědělských strojů kluzné a otěruvzdorné plasty typu ultravysokomolekulárního polyetylénu (UHMW-PE), které se osvědčily v jiných oborech. V laboratořích katedry materiálu a strojírenské technologie při hodnocení opotřebení na tribometru však tento plast pro abrazívní podmínky nevyhověl.
Výsledky orebních zkoušek
Orební zkoušky uskutečněné na zemědělských pozemcích v podzimním období roku 2000 byly zaměřeny na srovnávací hodnocení sady neupravených dělených čepelí (ostří a dláto) a sady s CDP (tvrdokov Castodur Diamond Plates). Tyto CDP jsou dodávány v tzv. prutech šíře 7 až 30 mm, které obsahují podkladový 10mm ocelový plech s navařeným tvrdokovem Castodur s karbidy chromu. Tvrdost návaru CDP byla naměřena 63 HRC. Podkladový plech je z nízkouhlíkové oceli (0,1 % C) a je tedy dobře svařitelný s tělesem čepele a dláta. Po celé délce čepelí a dlát bylo odříznuto ostří šířky 30 mm a nahrazeno přivařením 30 mm prutu tvrdokovu Castodur Diamond Plates pod úhlem 4 o. Vzhledem k neúplné materiálové dokumentaci byl proveden chemický a metalografický rozbor materiálu čepelí a dlát a zjištěn materiál oceli 12 042 s vyšším obsahem prvků (1,17 % Mn a 0,22 % Cr). Čepele i dláta jsou tepelně zpracovány zakalením na martenzitickou strukturu. Při zkoušce byla použita souprava traktor JOHN DEERE 8200 a návěsný sedmiradličný otočný pluh LEMKEN Vari-Diamant. U tohoto typu pluhu byl předpoklad, že orba na zvoleném pozemku bude probíhat za stejných půdních i provozních podmínek pro všechny typy čepelí. Na jedné straně obracecího pluhu byly použity sady nových neupravených čepelí a dlát, na druhé straně sady nových čepelí a dlát s přivařenými tvrdokovy CDP. Sada čepelí s neupraveným ostřím zorala 230 ha (16,5 ha.čepel-1) při výměně dvou dlát (A a B). Průměrné úbytky hmotnosti ostří a dlát jsou patrné z grafů na obr. 1 a 2. Sada CDP zorala celkem 965 ha (69 ha.čepel-1). Při porovnání předchozích zkoušek, kdy byly u plužních čepelí a dlát VPH METAZ přivařeny pruty CDP na tupo, jsou výsledky této zkoušky jednoznačně s nižšími hmotnostními a rozměrovými úbytky. Výrazně se projevila vyšší jakost kovaného ostří a úhel sklonu přivařených prutů CDP. V porovnání je rychlost opotřebení 2,58 krát nižší, na pokusném ostří s CDP žebry 3,01 krát nižší. Nevýhodou však je výrazné opotřebení v písčitých a kamenitých půdách, kdy dochází i k vylamování tvrdokovu (obr. 3). Materiálové úspory jsou značné, avšak ekonomické hodnocení je nevýhodné – vysoká pořizovací cena materiálu CDP, vysoká pracnost při úpravě čepelí a zvýšená spotřeba paliva při provozu upravených čepelí.
Příspěvek vznikl za podpory MŠMT ČR v rámci řešení výzkumného záměru J03/98: 413100016.
Ing. Jaroslav Horáček, CSc.
ČZU v Praze
