Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Zber úrody

Vývoj obilných kombajnov smeruje k autonómii

13-09-2021
S použitím dostupných zdrojov spracoval: doc. Ing. Jozef Ďuďák, CSc. | jozef.dudak@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Žatva bývala vždy akýmsi zavŕšením hospodárskeho roku a predzvesťou toho, ako sa bude vyvíjať hospodársky rok nasledujúci. Aj dnes patria obilniny medzi komodity, na ktorých rozhodujúcim spôsobom závisia ekonomické výsledky väčšiny poľnohospodárskych výrobných subjektov všetkých druhov. Pri ich zbere sa stal rozhodujúcim technickým prostriedkom samohybný stroj - obilný kombajn.

Súčasný obilný kombajn je samohybný stroj, ktorý si musel svoje miesto v strojovom parku tvrdo vybojovať. Dopomohol mu k tomu rýchly vývoj spaľovacích, predovšetkým naftových motorov, ktorý okrem iného súvisel aj s oboma svetovými vojnovými udalosťami 20. storočia a hlavne technologický pokrok pri výrobe zrnín. Delený zber obilnín samoviazačmi s nízkou produktivitou práce nemohol konkurovať nastupujúcim samohybným obilným kombajnom. V 2. polovici dvadsiateho storočia už obilné kombajny ovládli obilné polia napriek tomu, že snahy nahradiť priamy zber neustávajú ani dnes.

Sú známe experimenty s adaptérmi na zber klasov (vyčesávač klasov, header), ktoré sa principiálne vracajú k prvým mechanizačným prostriedkom využívaným pri zbere zrnín. Nevyrovnané porasty obilnín, problémy s následným zberom, či zaoraním slamy spôsobili, že táto metóda zberu obilnín nenašla ďalšie uplatnenie.

Dvojfázový delený zber obilnín mal svoje opodstatnenie v časoch, kedy obilných kombajnov bol celkovo nedostatok, porasty boli nevyrovnané, s vysokým podielom zelených prímesí (buriny, podsevy,...) a konštrukčné riešenie mlátiaceho a separačného ústrojenstva obilných kombajnov s jednoduchými regulačnými prvkami neumožňovalo využívať priamy zber obilnými  kombajnmi.

Podobný osud postihol aj trojfázový delený zber obilnín. Manipulácia a doprava rezanej obilnej hmoty s nízkou objemovou hmotnosťou a kvalitatívne i kvantitatívne vysoké straty zrna nemohli byť vyvážené výhodou, ktorá spočívala v odstraňovaní klíčivých zŕn burín. Technický a technologický pokrok pri výrobe obilnín umožňuje aj našim poľnohospodárom využívať technológiu priameho zberu zrnín obilnými kombajnmi a konštruktéri sa neustále snažia o ďalšie zlepšovanie technickej úrovne a dizajnu obilných kombajnov.

Rozšírenie využívania samohybných kombajnov

Aj keď podľa dostupných záznamov bola konštrukcia samohybného kombajnu v USA patentovaná už v roku 1912, prvý samohybný obilný kombajn predstavila spoločnosť Massey Harris až v roku 1938. K najväčšiemu rozšíreniu používania samohybných obilných kombajnov však došlo až po ukončení druhej svetovej vojny, odkedy sa vývoju a výrobe obilných kombajnov začali venovať viaceré výrobné spoločnosti.

Na území bývalého Československa sa prvé obilné kombajny objavili po roku 1945. Veľká časť z nich bola dovezená zo zámoria a západnej Európy v rámci hospodárskej pomoci Správy Spojených národov pre pomoc a obnovu, známej pod skratkou UNRRA (United Nation Relief and Rehabilitation Administration). Najväčšie zastúpenie v praxi však v tomto období mali sovietske návesné obilné kombajny, z ktorých najznámejší bol typ S-6.

Po roku 1957 sa začínajú objavovať samohybné obilné kombajny typu S-4 z bývalého ZSSR a maďarské stroje s typovým označením ACD-343 s približne rovnakou výkonnosťou s naftovým motorom. Od roku 1956 do roku 1957 vyrábala taktiež „domáca“ spoločnosť Agrostroj Prostějov obilné kombajny typu ŽM-330. V tomto období sa zažínajú v ČSSR objavovať aj nové typy obilných kombajnov zo ZSSR, a to najskôr typ SK-3, ktorý bol neskôr nahradený typom SK-4.

Od roku 1968 sa do Československa začínajú dovážať obilné kombajny typu E512 z bývalej NDR, ktoré s veľmi rýchlo stali v praxi veľmi obľúbenými a používanými strojmi. Od roku 1974 sa v menšej miere objavujú na našich poliach aj obilné kombajny typu SK-5 Niva a SK-6 Kolos z bývalého ZSSR. Na začiatku 80. rokov 20. storočia sa začínajú dovážať obilné kombajny typu E-516  a E-517 z bývalej NDR, ktoré sa neskôr spolu s typom kombajnu E-514 stali  základnými strojmi pre zber zrnín používanými v našom poľnohospodárstve. Okrem týchto strojov sa v menšej miere využívali poľské obilné kombajny typu Bizon Z-056 a Z060, rumunské CP-12 v horskej úprave a výnimočne aj ďalšie stroje.

S odstupom času možno konštatovať, že do roku 1989 sa v našich podmienkach pri zbere zrnín využívali predovšetkým obilné kombajny tzv. „klasickej“ koncepcie. Po roku 1989 sa v našich podmienkach začali presadzovať takmer všetci svetoví výrobcovia obilných kombajnov (Case, Claas, John Deere, MDW, Massey-Ferguson, New Holland atd.), ktorých výrobky môžeme rozdeliť do troch skupín podľa spôsobu výmlatu a separácie.

Klasické „tangenciálne“ obilné kombajny, často označované ako konvenčné, sú osadzované mlatkovým mlátiacim mechanizmom a klávesovým vytriasadlom slúžiacim na separáciu vymlátenej obilnej hmoty.

Ďalšou skupinou sú „axiálne“ obilné kombajny, ktoré sú osadené jedným alebo dvoma paralelne uloženými axiálnymi rotormi, ktoré plnia funkciu mlátiacu aj separačnú. Je tu integrovaný mlátiaci a separačný mechanizmus do jedného rotora.

Poslednú skupinu tvoria tzv. „hybridné koncepcie“ obilných kombajnov, pri ktorých usporiadaní je najčastejšie používaný konvenčný mlatkový mlátiaci mechanizmus, ktorý je doplnený axiálnym separátorom. V súčasných konštrukčných riešeniach obilných kombajnov  najčastejšie nájdeme dva paralelne uložené separačné rotory.

Aktuálne vývojové trendy - súhrn

Vývojové trendy v oblasti konštrukcie obilných kombajnov sa predovšetkým u niektorých výrobcov v západnej Európe už po roku 1970 začali uberať v podstate dvomi smermi. Na jednej stane sa pokračovalo v zdokonaľovaní „klasickej“ koncepcie separácie zrna, založenej na tangenciálnom mlátiacom ústrojenstve, klávesových vytriasadlách a vzduchovom čistení. Druhým vývojovým smerom boli priekopnícke koncepčné riešenia nahrádzajúce mlátiace ústrojenstvo a vytriasadlá jedným axiálne umiestneným separačným ústrojenstvom. Od týchto „priekopníckych“ počiatkov však vývoj v oblasti konštrukcie obilných kombajnov pokračuje významným spôsobom ďalej.

 Predovšetkým dochádza k ďalšiemu zdokonaľovaniu systémov výmlatu, separácie a čistenia zrna. V oblasti výmlatu sa presadzuje používanie tangenciálnych mlátiacich ústrojenstiev pred axiálnymi, aj keď sa rozšírila ponuka kombajnov s rôznymi konštrukciami a princípmi axiálneho výmlatu. Výrazne sa rozširuje ponuka obilných kombajnov s náhradou klasických delených separátorov (vytriasadiel) za rotačné separátory. Snahou pri zdokonaľovaní systémov separácie je predovšetkým spracovať väčšie množstvo vymlátenej obilnej hmoty a tým zvýšiť priechodnosť kombajnu. Tomu napomáhajú aj viacstupňové čistidlá s výkonnými ventilátormi, ktoré kvalitne pracujú aj v svahovitých podmienkach (sú ponúkané rôzne systémy vyrovnávania obilných kombajnov, prípadne usmerňovania pohybu obilnej zmesi po vynášacej doske a sitách).

Pre nové typy obilných kombajnov je charakteristické vybavenie veľkým objemom zásobníka umožňujúcim dlhý čas práce kombajnu bez potreby vyprázdňovania, pri vyprázdňovaní vysoká výkonnosť vyprázdňovacej závitovky, skracujúca prípadné stratové časy na minimum.

Konštruktéri sa zameriavajú na zlepšovanie funkcie jednotlivých konštrukčných celkov (pojazdového ústrojenstva, pohonnej jednotky, žacieho ústrojenstva, mláťacieho ústrojenstva, separačných prvkov, vybavenia kabíny, atď.). Všetko ich úsilie smeruje k zvýšeniu výkonnosti obilných kombajnov, k väčšiemu komfortu pre obsluhu stroja, k zvyšovaniu kvality práce v rôznych terénnych a klimatických podmienkach, k zvyšovaniu prevádzkovej spoľahlivosti stroja.

Významnou modernizáciou a inováciou prešlo aj príslušenstvo obilných kombajnov (kabína, kontrolné, ovládacie a regulačné prvky), ako aj ďalšia výbava obilných kombajnov. Pre nové obilné kombajny je stalo charakteristické využitie elektronických kontrolných riadiacich a automatizačných prvkov, bez ktorých sa už obsluha stroja, servisná diagnostika a spracovávanie databázy prevádzkových informácií nemôže zaobísť. Najnovší konštrukčný trend smeruje k využitiu GPS pre sledovanie a riadenie pohybu stroja po poli, resp. pre vytváranie úrodových máp pozemkov. Obilný kombajn sa postupne premenil zo stroja vybaveného automatizačnými prvkami na inteligentný mechanizačný prostriedok, na ktorom obsluha iba zabezpečuje dozor nad procesom kosenia a výmlatu zrnín.

Aké budú obilné kombajny budúcnosti?

Ešte donedávna pracovali obilné kombajny ako samostatné, prakticky do seba „uzatvorené“ jednotky. Ich kontakt na okolie sa obmedzoval v podstate iba na organizáciu práce pri zbere porastu. Ako sa však postupne zvyšovala ich výkonnosť (priechodnosť), čoraz viac narastal význam ich správneho nastavenia podľa podmienok zberu. Postupný rozvoj a aplikácia elektroniky do konštrukcie obilných kombajnov ide týmto požiadavkám priamo v ústrety.

Výsledkom sú stroje s vlastnou inteligenciou. Jej ďalší rozvoj bude nosnou témou aj do budúcnosti. Názory na to, ako budú obilné kombajny v dohľadnom čase vypadať, sa čiastočne odlišujú. Existuje niekoľko štúdií popredných svetových výrobcov obilných kombajnov s odlišným konceptom, ktoré sa ale spoločne zhodujú aspoň v jednom - predpokladajú úplne autonómnu činnosť týchto strojov. Logicky je to prirodzený dôsledok rozvoja celého radu asistenčných systémov, ktoré existujú a na kombajnoch sa využívajú už aj v súčasnosti. Pozberať zrno už vedie všetky stroje, ale kvalita práce a úroveň strát zrna môže byť odlišná. Palubná inteligencia môže zvýšiť účinnosť práce obilného kombajnu. Vhodná podpora obsluhy umožňuje lepšie využívať inštalovaný výkonnostný potenciál. Patria sem napr. aj navigačné systémy s využitím GPS, hmatačov či optických snímačov na zberovom adaptére. Okrem toho vedia automatické systémy reagovať na zahltenie hmotou, na podmienky porastu, úroveň strát zrna či sklon svahu.

Ďalší vývojový krok predpokladá prepojenie v súčasnosti jednotlivo pracujúcich systémov do plne autonómneho stroja. Už v súčasnosti vedia obilné kombajny komunikovať na diaľku v reálnom čase s počítačom v kancelárii, prípadne aj s traktorom pri prekladaní zrna. Do budúcnosti narastie význam prepojenia obilných kombajnov a vzájomné výmeny údajov v priebehu práce, a to buď s využitím vlastnej rádiovej siete, alebo internetu. Takto si potom plne vyťažený zberový stroj bude sám môcť privolávať prostriedky pre odvoz zrna, alebo servis v prípade poruchy, prípadne komunikovať s ďalšími obilnými kombajnmi a „opýtať“ sa na ich úroveň strát zrna a na nimi využívané nastavenie.

Princíp vzájomnej komunikácie a na tom založenej kooperácie strojov už čiastočne funguje aj v súčasnosti a bude sa ďalej rozširovať. Základné nastavenie parametrov výmlatu podľa zberanej plodiny vykoná pred začiatkom zberu obsluha stroja, najvhodnejšie nastavenie si však obilné kombajny vyhľadajú pomocou palubného software a na základe vzájomného porovnávania v priebehu práce. Mali by sa vedieť samé riadiť, zrýchľovať alebo spomaľovať na základe stavu porastu, otáčať sa na úvratiach, organizovať prekladanie zrna, zdieľať paralelné línie, vykonávať obkášanie pozemkov, alebo ich rozdelenie na záhony. Mali by pritom pracovať s čo najnižšou energetickou náročnosťou.

Autonómna prevádzka obilných kombajnov sa môže dosiahnuť aj cez medzistupeň, ktorým bude diaľkové ovládanie kombajnov z kancelárie. Vďaka prenosu obrazu z videokamier a informácií zo snímačov prenášaných v reálnom času bude mať v kancelárii prítomný pracovník rovnakú kontrolu nad strojom, ako keby v ňom sedel. Nakoľko poľnohospodárstvo je prácou pod šírim nebom, sú vykonávané činnosti spojené aj s výskytom určitých rizík, ku ktorým patria napr. strety s vyskytujúcou sa divou zverou, ňou poškodenými porastmi na jednotlivých pozemkoch, prípadne výskytom náhlych zrážok. Prenos signálov na diaľku môže byť narušený aj zlou interpretáciou, alebo priamo výpadkami spojenia. To všetko môže ohroziť komunikáciu s autonómne pracujúcim strojom, prípadne viesť až k zastaveniu jeho činnosti, a tým aj narušeniu práce celého zberového reťazca. Výkonnosť obilných kombajnov budúcnosti však bude tak vysoká, že nejaké malé prestoje by úspešný priebeh žatevných prác nemali nejako významne narušiť.

Autonómny obilný kombajn už mal premiéru

Po celom svete je obrovský dopyt po automatizovanom poľnohospodárstve. Pretože je čoraz ťažšie nájsť kvalifikovaný personál pre prácu na farme, potreba zlepšovať efektívnosť poľnohospodárstva sa z roka na rok zvyšuje. Prognózy o ďalekej budúcnosti predpovedajú pravdepodobnosť, že človekom riadené obilné kombajny budú postupne budú nahradené robotickými kombajnmi (zberovými robotmi) bez vodiča. V začiatkoch ich vývoja a aplikácie na poliach budú tieto roboty kvôli preprave a mobilite menších rozmerov, čím sa budú odlišovať hlavne od dnešných špičkových modelov obilných kombajnov. Prevádzkované budú v skupinách a aj ich obsluha bude skupinová.

Podľa publikovanej štúdie, ktorú spracovali na Technickej Univerzity v Drážďanoch (TUD) jedna komplexná zberová jednotka bude tvorená tromi zberovými robotmi. Tieto zberové roboty budú dopravované k poľu určeného na zber pomocou kamiónových návesov po trojici. Žací stôl sa pri prevoze skladá a nadvihne sa, sekcie separačných plôch sú vzájomne do seba zasúvateľné a tak celková dĺžka kombajnu sa skráti na polovicu. Zberové roboty budú mať pracovný záber 5 m, výkon motora bude asi 150 kW, celková plocha čistidiel bude 5 m2 a celková hmotnosť 8 ton. Nastavenie robotov bude automatické, podľa snímaných údajov o zberanej plodine.

Zberové roboty sa budú nasadzovať skupinovo, ich jazda bude riadená pomocou satelitov podľa dopredu stanovených trás. Zásobník zrna budú vždy vyprázdňovať spoločne, preto aj logistika odvozu zrna môže byť presne organizovaná. Celý zberový proces môže byť palubným počítačom zaznamenávaný, ako aj dokumentovaný a následne pomocou rádiových vĺn zasielaný do centra poľnohospodárskeho podniku. Riadenie robotov bude na diaľku, v systéme diaľkovej kontroly bude realizovaná aj kontrola technického stavu (diagnostika).

 O tom, že štúdia TUD nie je utópiou a predstavou ďalekej budúcnosti, sme sa mohli presvedčiť už v polovici septembra 2019, kedy bol prvýkrát praxi predstavený autonómne pracujúci obilný kombajn. Stroj bez vodiča bol použitý pri výmlate jačmeňa v Holandsku.

Kompaktný kombajn s pásovou dráhou vyvinul ako pilotný projekt holandský špecialista na zber HuizingHarvest / Agrobotix v spolupráci so spoločnosťou eFarmer, dodávateľom softvéru a hardvéru pre presné poľnohospodárstvo, v rekordnom čase iba deviatich mesiacov. Aplikáciu FieldBee predstavil eFarmer.

Podľa zúčastnených spoločností sa pilotný projekt, ktorého primárnym cieľom bolo získať potrebné vedomosti o ďalšej automatizácii systémov zberu, zameral na vývoj veľmi kompaktného kombajnu, ktorý má šírku žacieho ústrojenstva 2 m, celkovú hmotnosť okolo 3,5 t a objem zásobníka na zrno 1 m3. V autonómnej prevádzke dosahuje kombajn plošnú výkonnosť až 0,6 ha.h-1.

Pri predstavovaní všetky funkcie kombajnu bežali úplne autonómne a operátor ich mohol sledovať pomocou aplikácie pre smartphone a v prípade potreby ich ovládať. Kombajn je vybavený systémom RTK pre následnú jazdu v obilí . Systém tiež automaticky ovláda špeciálne funkcie žacieho a mlátiaceho ústrojenstva, ako je prispôsobenie rýchlosti jazdy na základe stavu porastu, poloha žacieho ústrojenstva a otáčky mlátiaceho bubna. V ďalšom kroku má byť kombajn vybavený ďalšími senzormi, ktoré zaznamenávajú (mapujú) úrodu a kvalitu výmlatu.

Obr.

Záver

Za viac ako 75 rokov používania prešli obilné kombajny viacerými významnými konštrukčnými zmenami a modernizáciami, avšak ich vývoj sa nezastavil a pokračuje ďalej. Na záver ešte možno uviesť niekoľko príkladov z aktuálnych vývojových trendov:

  • výrobcovia obilných kombajnov, ktorí si vyrábajú aj motory, využívajú rôzne technické riešenia pre splnenie čoraz prísnejších emisných noriem. Isté je, že vývoj motorov spĺňajúcich tieto normy je pre obilné kombajny predovšetkým s ohľadom na požiarnu bezpečnosť komplikovanejší a drahší,
  • pri vývoji pojazdových mechanizmov je prvoradým cieľom maximálna ochrana pôdy v súlade s obmedzeniami danými dopravnými predpismi. Trendom pre veľké obilné kombajny sa stávajú pásové podvozky, lebo tu sa dosahuje minimálnych škôd na pôdnej štruktúre v porovnaní s klasickou kolesovou konštrukciou podvozku. K dispozícii sú rôzne šírky pásov, čím sa dajú dosiahnuť hodnoty nízkeho merného tlaku na pôdu,
  • naďalej pokračuje neustály príliv moderných informačných a komunikačných technológií, ktoré zabezpečujú optimalizáciu celého procesu zberu. Do budúcna budú tieto technológie aj veľkými pomocníkmi v celkovej logistike odvozu zrna z poľa, ale napr. aj pri dodávke náhradných dielov, alebo sledovaní jednotlivých parametrov strojov z centrálneho dispečingu pomocou telemetrických systémov.