V minulém roce uvedl Liebherr na trh pod ochrannou známkou „Produktivlöffel (Produktivní lžíce)” nově vyvinuté podkopové lžíce. Cílem vlastního vývoje bylo vyvinout takové nářadí, které bude dosahovat zřetelně lepších výsledků oproti konvenčně používaným lžícím a výkon rypadla bude pokud možno beze ztrát a efektivně převádět na výkon nakládky. Proto bylo nejprve ve výrobním závodě Liebherr v Kirchdorfu prováděno rozsáhlé a dlouhodobé testování lžic různých výrobců a následné zpracování dat, které zabralo výraznou část doby ve vývoji této nové řady lžic. Do systematického sběru dat byly zahrnuty jak dlouholeté zkušenosti testovacích jezdců, poznatky a požadavky zákazníků, tak i vlastní průzkumy trhu a analýzy konkurence. Z těchto údajů vznikla následně malá série optimalizovaných podkopových lžící, která konstrukčně vycházela z předchozí generace lžící Liebherr. Za rozsáhlými praktickými testy následovaly potom první prototypy a předsériové modely, které musely obstát v podrobných srovnávacích testech se stávající generací podkopových lžící ale také se lžícemi ostatních výrobců.
Nové lžíce – nejlepší pro hloubení
Výsledkem intenzivních výzkumů a výkonových testů firmy Liebherr je nápadně štíhlá lžíce se dnem protaženým do délky a štíhlým profilem břitu.
Přehlídka lžící
Nabídka podkopových lžící na trhu je velmi široká. Vedle výrobců stavebních strojů, kteří své nesené nářadí sami vyvíjejí, existuje mnoho výrobců specializovaných pouze na výrobu přídavných nářadí. Každý výrobce má své vlastní představy, jak by měla účinná podkopová lžíce vypadat. Všeobecné technické vlastnosti jsou potom přímo odvislé od specifických technických řešení lžíce každého výrobce. Vývoj a další zdokonalování podkopové lžíce jsou ale nákladné, protože její funkčnost závisí na mnoha faktorech.
Výkonnost rypadla
Podkopová lžíce má výraznější vliv na výkonnost hydraulického rypadla, než je obecně známo – důležitými kritérii jsou především tvar břitu a profil dna lžíce.
Cílem je mít takovou lžíci, která je ve spojení s rychloupínačem a rypadlem co nejvíce efektivní a produktivní. Jednoznačné parametry „optimální lžíce” ale neexistují, resp. neexistují spolehlivá data – vývojáři se musí, na základě minulých zkušeností, svého cíle a výsledků dobrat. To začíná zjišťováním základních dat a charakteristických veličin nejrozšířenějších variant podkopových lžící. K výzkumu při vývoji nových lžící byly použity tyto nejčastěji používané standardní lžíce:
- úzká podkopová lžíce se zuby,
- úzká podkopová lžíce s rovným břitem,
- široká podkopová lžíce se zuby,
- široká podkopová lžíce s rovným břitem.
Tyto druhy lžic, jak od renomovaných výrobců, tak i ze stávajícího programu firmy Liebherr, byly porovnávány a za vědeckých podmínek testovány v praxi. V praktických podmínkách ale není rostlá půda stejnorodá ani v případě, kdy by pracovala dvě rypadla v jedné štěrkovně, přímo vedle sebe. A právě základním faktorem testů je nutnost zachování stejných půdních podmínek, aby bylo možno dále srovnávat vlastnosti jednotlivých lžic v testování.
Tyto nestejnorodé půdní podmínky mají výrazný vliv na výsledky testů a měřené hodnoty by nebylo možno použít pro další srovnávání. Přesnost a výsledky měření by sice mohly být zlepšeny výrazným zvýšením počtu testovacích cyklů, tím by se však celé testování stalo finančně natolik nákladným, že by nemělo smysl je realizovat.
Stejné testovací podmínky
Protože také „rostlá půda“ není zcela homogenní, bylo založeno vlastní zkušební pole, aby různé tvary lžící mohly být srovnávány za identických podmínek. Zemina byla definovaným způsobem zhutněna a tím byly vytvořeny vždy přesně stejné podmínky.
Aby byly simulovány zcela stejné půdní podmínky, ve kterých lze měřit přesné výsledky, byl k testování použit zahrnutý výkop a zemina byla definovaným způsobem zhutněna. Tímto způsobem lze získat nejspolehlivější testovací data, protože parametry zahrnutí lze velmi dobře ovládat.
K minimalizaci odchylek jednotlivých testů bylo proto založeno speciální testovací pole, ve kterém jsou použity relativně homogenní materiály (třída půdy 3 až4 podle DIN 18300). Odchylky měření byly dále minimalizovány vysokým počtem testovacích cyklů, aby se dosáhlo co nejmenších nepřesností. Testy byly navíc prováděny za maximálně identických podmínek: stejný strojník, stroj, počasí, vlhkost půdy, teplota, vlhkost vzduchu. Pokud bychom chtěli testování rozšířit tak, abychom dostali skutečně statisticky dostatečně rozsáhlý soubor měření s dobrou přesností, drasticky by se zvedly náklady na testování.
Měřící přístroje
Různé chování lžící při pronikání do materiálu v závislosti na tvaru lžíce a osazení zuby či rovným břitem bylo zjišťováno hydraulickými tlakovými senzory a snímači dráhy pohybu na hydraulických válcích testovacího rypadla.
Jedna lžíce na každou práci
Je prakticky nemožné, vyvinout lžíci, která by ve všech druzích půdy dosahovala optimálních výkonů při hloubení. Nová generace podkopových lžící je tedy optimalizována pro většinu běžných nasazení a typů půd. Půdy v testovacím poli měly proto podíly jílu a písku a nepatrné podíly štěrku při různém složení (třída půdy 3 až 4) a reprezentovaly tak nejčastěji se vyskytující typy půd.
U dobré lžíce by mělo docházet k co nejmenšímu opotřebení (dlouhá životnost) a současně by měla mít lehkou a pevnou konstrukci (nízká provozní hmotnost), aby poskytovala dobrou efektivitu využití pohonných hmot. Větší tloušťka materiálu znamená sice delší životnost, ale má za následek vyšší odpor při vnikání do materiálu a také větší specifickou spotřebu paliva. Řešením jsou vysokopevnostní a otěruvzdorné materiály, jejich dostupnost je však omezena výraznými pořizovacími a následnými výrobními náklady.
K záznamu dat o hloubení v praktickém testu byly veškeré hydraulické válce pracovního vybavení rypadla opatřeny měřicím systémem, který měřil dráhu pohybu ramene a byly instalovány senzory, které zaznamenávaly tlak oleje v jednotlivých hydraulických válcích. Data byla v průběhu testu rádiově přenášena do měřicího vozu, kde byla uložena a později vyhodnocována.
Zuby nebo rovný břit?
Pro první výkonové testy byla lžíce rozčleněna do jednotlivých funkčních jednotek a k tomu provedeny jednotlivé testy, k nimž například také patřila zkouška vnikání do materiálu. Přitom byl zjišťován odpor na zubech lžíce při vnikání do zeminy. K tomu bylo testovací pole naplněno uvedeným přibližně homogenním materiálem a po vrstvách zhutňováno nesenou vibrační deskou. Potom byl vyhlouben výkop o hloubce 1,5 m se svislou stěnou a rypadlo umístěno na hranu tohoto výkopu. Při testu tlačily zuby lžíce do stěny výkopu tak dlouho, dokud úplně nevnikly do materiálu. Přitom byly zaznamenány vznikající tlaky v hydraulickém systému. Čím hlouběji zuby lžíce pronikaly do materiálu, tím větší byl odpor pronikání a rostl tlak oleje ve válci násady.
Experimenty byly provedeny s identickými podkopovými lžícemi Liebherr (šířka břitu, objem lžíce), ale s různými zuby. Srovnání se provádělo s podkopovými lžícemi s integrovaným a nasazovacím břitem, se standardními a špičatými zuby. Všeobecně bychom očekávali, že podkopová lžíce se špičatými zuby by měla mít nejmenší odpor proti vniknutí (tedy plochou křivku průběhu tlaku). Mezi testovanými variantami však ukázala nejlepší vlastnosti pro pronikání podkopová lžíce s integrovaným břitem. V půdách třídy 1 až 3, které se vyskytují velmi často a nemusí být vylamovány pomocí zubů, vede nasazení takto vybavené podkopové lžíce k nejlepší efektivitě využití paliva (přeložené tuny na litr paliva a za hodinu). Často jsou na staveništích používány podkopové lžíce s nasazovacím břitem, aniž je flexibilita této lžíce skutečně využita (výměna nasazovacího ostří za jednotlivé zuby). Podkopová lžíce s integrovaným břitem by měla v tomto případě být první volbou, neboť nasazovací břit měl ze všech testovaných variant nejnižší efektivitu ve využití paliva a nejmenší výkon překládky materiálu. Pro většinu stavebních firem je tedy na zvážení, zda skutečně potřebují tuto variantu nasazovacího břitu používat.
V průběhu mnoha zkoušek pronikání do materiálu byly také testovány různé varianty zubů různých výrobců a přitom optimalizován tvar zubů Liebherr s ohledem na odpor vnikání i dlouhou životnost – dobrá podkopová lžíce může rozvíjet svou výkonnost pouze s vhodným zubovým systémem. Bohužel, na staveništi je často tvaru a stavu zubů věnováno málo pozornosti. Je prokázáno, že opotřebované nebo zuby nevhodné k určitému nasazení mohou spotřebu paliva výrazně zvýšit. Šetrnost na nesprávném místě vede tedy k vyšším nákladům, neboť pořizovací cena nových zubů je zpravidla podstatně nižší než cena navíc spotřebovaného paliva a zbytečného opotřebení „navíc”. Dále včasnou výměnou zubů lze snadno zabránit poškození držáků zubů a předchází se tak velmi vysokým nákladům na jejich opravu.
Test zubů
Špičaté zuby pronikají zřetelně lépe do zeminy než tupé – zuby ale nejsou vždy nejlepší volbou při výkopu, jak vyplynulo z exaktních srovnávacích měření.
Profil lžíce
Po zubech či břitu lžíce je dále důležité, aby její profil, tj. přední průřez, prostor lžíce, byl co největší, aby se dosáhlo dobrého pronikání lžíce materiálem. K tomu byla provedena tzv. zkouška loupáním, při které jsou vedeny lžíce různých výrobců podél připravené kruhové dráhy na půdě a přitom je opět měřen a zaznamenáván tlak ve válci násady v závislosti na dráze, kterou lžíce urazila. Přitom odhalily podkopové lžíce výhody a nevýhody svého geometrického tvarování. Jak již u zkoušky vnikání platilo také u zkoušky loupáním: Čím je nižší tlak ve válci násady, tím lepší je geometrie lžíce. Pomocí těchto výsledků byla zlepšena souhra mezi břitem/zuby, bočními břity a hřbetem lžíce.
Profil lžíce (přední pruřez) je na obrázku označen červenou linkou
Lžíce při výkonovém testu
Před zahájením vývoje, v průběhu vývoje a po zhotovení prvních prototypů byla testována celková účinnost každé lžíce. K tomu bylo upraveno typické nasazení rypadla – hloubení a naložení materiálu. Testovací pole bylo mnohokrát naplněno, po vrstvách zhutněno, potom opět kompletně vytěženo a naloženo na dampr – za stálé kontroly stupně zhutnění a obsahu vody, aby bylo dosaženo přibližně stejných podmínek okolního prostředí a také srovnatelných výsledků testů. Vždy po 30 cyklech nakládání byl dampr zvážen a při zjišťování hmotnosti nákladu bylo přihlédnuto i k zásobě paliva, která se v průběhu dne také měnila. Z toho byla vypočtena efektivita využití paliva (v tunách na litr nafty za hodinu) a výkon překládky (t/h). Přitom musely prototypové lžíce prokázat, zda nově vyvinuté jednotlivé komponenty (břit, zuby, boční břity, hřbet, dna lžíce atd.) svými parametry vyhovují. Vlastnosti nových podkopových lžící za praktického nasazení byly vyhodnoceny (použitelnost pro praxi), výkonnost proměřena a provedena další detailní vylepšení.
Strojník jako základ úspěchu
Obsluha rypadla má obecně velmi výrazný vliv na výkon a efektivitu svého stroje. Aby byl zjištěn vliv člověka na výsledky, provedli různí testovací strojníci firmy Liebherr jeden po druhém na stejném rypadle nakládku dampru. Podle očekávání se objevily pozorovatelné rozdíly ve výkonu nakládky a ve spotřebě paliva. Podstatným poznatkem z tohoto testu bylo, že přímé srovnávání lžící má smysl vždy pouze za nasazení jednoho a téhož strojníka. Přímá srovnávání mezi různými podkopovými lžícemi byla ale provedena postupně za účasti několika strojníků, aby výsledky a poznatky z testu nebyly zkresleny individuálním způsobem práce a osobními preferencemi jednotlivých strojníků.
Výkon překládky
Dampr byl mnohokrát nakládán různými lžícemi a vždy po 30 nakládacích cyklech zvážen – s překvapujícími výsledky v rozdílech ve výkonech překládky a také ve spotřebě paliva.
Vliv rychloupínače na výkonnost lžíce
Jaký vliv na výkon podkopové lžíce a tím na celý stroj má vybavení, umožňující rychlou výměnu nářadí, bylo v testu velmi zřetelné. Rychloupínač by neměl měnit vlastnosti podkopové lžíce při plnění (tj. nabírání) materiálu, ani snižovat vylamovací sílu hydraulického rypadla kvůli výšce své stavby více, než je nezbytně nutné. Tvar a uspořádání vyztužovacího trámce lžíce rozhodují v konečném efektu o tom, zda lžíce s rychloupínačem tvoří vzájemně sladěný prvek stroje. Vyztužovací trámec musí vyloučit prohýbání podkopové lžíce a zabránit trvalé deformaci. Ta by mohla vznikat za nesouměrného zatížení, jestliže lžíce za svého pohybu zeminou např. zubem narazí na pevnou překážku.
Vyztužovací trámec (označen červeně) musí vyloučit deformace lžíce při zatížení spotřebě paliva.
Jestliže leží vyztužovací trámec mimo geometrii lžíce mezi body zavěšení čepů rychloupínače, není překážkou pro tok materiálu a vylamovací síly hydraulického rypadla jsou zmenšeny pouze o absolutně nejnutnější hodnotu. U mnohých konstrukčních řešení lžící není ale mezi oběma body zavěšení čepů rychloupínače místo pro vyztužovací trámec, takže je trámec součástí vnitřní geometrie lžíce (tzv. „seříznutá hlava” lžíce). Tam ale trámec zamezuje výstupu vzduchu ze lžíce a je přerušen kruhový průchod materiálu do lžíce. Kompromisním řešením mohou být odvzdušňovací otvory v těle zad lžíce, hlavní důvod nepříznivých vlastností plnění však zůstává zachován – „seříznutou hlavou” lžíce nemůže materiál nerušeně do lžíce „vtékat”, nýbrž je v horní oblasti bržděn. Tím roste spotřeba síly, nutné k naplnění lžíce a současně nemůže být kapacita lžíce zcela využita. Obojí se projeví v menším výkonu nakládky.
Průběh sil
Umístění čepů resp. rychloupínače na lžíci má vedle profilu lžíce a druhu břitu rozhodující vliv na vynaložení síly a stupeň naplnění. Rozměr výstupku by měl být co nejmenší, vyztužovací trámec lžíce nesmí bránit plnění zeminou.
Fakt, že kapacita lžíce se „seříznutou” hlavou nemůže být zcela využita, se potvrdil v praktickém testu. Na první pohled byly tyto lžíce sice dobře plněny (navršení) a dovolovaly dokonce více nakládacích cyklů za minutu než podkopové lžíce Liebherr z předchozí série. Při následujícím zvážení dampru se však ukázalo, že navzdory vyššímu počtu nakládacích cyklů bylo přemístěno méně materiálu. Zdánlivě naplněná lžíce přemisťovala totiž při každém nakládacím cyklu dutý prostor pod vyztužovacím trámcem. Tento fenomén se projevoval zvláště v soudržných zeminách – naproti tomu v zeminách s větším obsahem štěrkopísku dosahovaly i tyto lžíce dobrého stupně plnění.
Aby se předcházelo uzavření takového „vzduchového pytle” a zcela se využívalo kapacity podkopové lžíce také v soudržné zemině, muselo by uchycení rychloupínače s vyztužovacím elementem ležet mimo geometrii lžíce, což by ale kvůli dodatečné výšce nástavby rychloupínače snížilo vylamovací sílu rypadla. Někteří výrobci lžící ale vkládají vyztužovací trámec do geometrie lžíce, protože jejich přídavná nářadí musí být kompatibilní i s dalšími rychloupínacími systémy. Alternativou by byl vývoj univerzální lžíce pro každý rychloupínací systém, což by ale nebylo možno ekonomicky obhájit.
Nové podkopové lžíce Liebherr s vyztužovacím trámcem umístěným vně lžíce dosahují zřetelně lepší efektivity využívání paliva (t/l nafty) a výkonu nakládky (t/h) než lžíce s vyztužovacím trámcem umístěným v geometrii lžíce. Jedním z důvodů je, že nové podkopové lžíce Liebherr jsou přímo vyrobeny a sladěny s vlastním rychloupínacím systémem.
Druh zeminy, výkonnost překládky
Prototypy a lžíce z předchozích sérií byly testovány v různých typech půd (třída půdy 3 až 5) a rypadla byla při práci v jílovitě-písčité půdě zatěžována až na hranici jejich výkonnosti. Aby byl vyhodnocen vliv druhu půdy na výkonnost podkopové lžíce, byla k směsné jílovito-písčité půdě přibrána ještě zemina se silnou příměsí štěrkopísku jako základ pro srovnávání.
Nakládací výkon nových lžící byl v zemině s velkým obsahem štěrkopísku vyšší než ve směsné půdě jílovitě písčité. Vysvětlením je zřetelně menší odpor při hloubení, který zemina s vysokým obsahem štěrkopísku klade lžíci při jejím průchodu materiálem. Na výkonu nakládání se dále výrazně projevily též různé měrné hmotnosti materiálu.
Vztahy
Výkon nakládky neroste lineárně s objemem lžíce, pro každé rypadlo existuje optimální velikost lžíce, při které je dosahováno nejvyšší efektivity využití paliva.
Větší lžíce není vždy lepší
V rozsáhlých testech byl také vyvrácen velmi rozšířený názor, že nakládací výkon rypadla roste lineárně s velikostí lžíce a rypadlo je tedy nutno vybavit co největší lžící. Existuje totiž optimální velikost lžíce, se kterou rypadlo dosahuje nejlepší efektivity využití pohonných hmot a nejvyššího výkonu nakládky v tunách na hodinu. Jestliže je nasazený stroj vybaven příliš malou lžící, má sice rychlé pracovní cykly, ale kvůli malému objemu lžíce pouze nízký výkon (nakládky). Jestliže je stroj naproti tomu provozován s příliš velkou, naddimenzovanou lžící, klesne opět proti obecnému očekávání výkon nakládky ve srovnání s optimální velikostí lžíce – přídavný objem lžíce nemůže vyrovnat snížení rychlosti pracovních cyklů. Efektivita využití paliva a výkon nakládky potom tedy klesají. Závislost výkonu nakládky a objemu lžíce zachycuje názorně graf optimálního objemu lžíce.
Nejlepší i bez zubů Neexistuje ideální lžíce pro všechny struktury půdy, každý tvar lžíce je vynuceným kompromisem. Záleží na tom, aby byly zvoleny optimální tvar a velikost pro očekávané půdy – zubů přitom není bezpodmínečně třeba!
Produktivita lžíce
Několik měsíců trvající fáze testování, ve které byly testovány podkopové lžíce různých výrobců, poskytla potřebná data pro novou generaci podkopových lžící Liebherr. V navazující vývojové fázi byly teoretické poznatky vždy opět kontrolovány v praxi a vyhodnocovány. Výsledkem jsou tzv. „produktivní lžíce”, které se viditelně výbornými vlastnostmi odlišují od ostatních lžic.
Výsledky testování
Přínosy prodloužení dna lžíce
- snížení odporu při pronikání do materiálu,
- zlepšení vlastností při plnění lžíce,
- snazšímu cílenému podhrabávání, např. potrubí,
- snazšímu nabírání a přemisťování materiálu, který je obtížně manipulovatelný (asfalt, vylámaný beton).
Přínos hluboce vyříznutého bočního břitu
- snížení odporu při vnikání,
- snazšímu cílenému podhrabávání, např. potrubí,
- snazšímu nabírání a přemisťování materiálu, který je obtížně manipulovatelný (asfalt, vylámaný beton).
Přínos zúžení hřbetu lžíce ve srovnání s přední stranou
- snížení odporu při pronikání materiálem,
- zlepšení vlastností při plnění,
- zlepšení vlastností při vyprazdňování.
Shrnutí
Od počátku 2009, co jsou nové podkopové lžíce na trhu, potvrzuje výsledky testování většina stavebních firem. Firma Liebherr samozřejmě lžíci znovu nevynalezla, v mnoha detailech ji ale funkčně zlepšila. Aktuálně poskytují produktivní lžíce nejvyšší efektivitu využití paliva (přeložené tuny na litr paliva) a nejvyšší výkon při nakládce (tuny za hodinu). Že zkoušky přinesly vedle optimalizace lžíce také nové praktické poznatky, ukazuje skutečnost, že mnohé stavební firmy po příslušné poradě používají pro určitá nasazení lžíce s integrovaným břitem, protože se praktické výhody zřetelně projevují v úsporách provozních nákladů, ve srovnání oproti provozu s lžící se zuby nebo nasazovacím břitem.
