Hogyan tervezhetünk jó mezőgazdasági gépet?
Sokan azt gondolják, hogy a gépeket tervező szakemberek tulajdonképpen feltalálók, olyan zsenik, mint például Thomas Edison, vagy Nikola Tesla, akik közvetlenül képesek az igényeknek megfelelő gépet konstruálni. Természetesen manapság is vannak nagy feltalálók, olyan képességekkel rendelkező emberek, akik alkalmasak eddig nem létező, ráadásul versenyképes műszaki alkotások kidolgozására, különleges megoldási társításokat végezve. Többek között a gazdasági, versenyképességi igények gyors változása és sokszínűsége, a műszaki ismeretek erőteljes bővülése, a tudományos felfedezések, eredmények napi használatba kerülési útjának rövidülése, a környezeti klimatikus változások hatása és gyorsasága tette szükségessé a különböző koncepcionális tervezési módszerek kialakulását. A mezőgazdasági gépek összetettsége, bonyolultsága miatt különösen fontos a termeléstechnológiai célok műszaki vetületeinek jó kezelése, a szoros együttműködés a gépeket használó termelőkkel, döntéshozókkal. A cikkünkkel ennek a kooperációnak az elősegítése a célunk, nem pedig egyes jogi (pl. szabadalom, iparjogvédelem) és műszaki részletek (pl. megtervezés, méretezés, gyártástechnológia) elemzése.
A géptervezés módszerei, megoldásai
A modern tervezési módszerek fejlődésére a világháborúk sajnálatos eszköz igénye, valamint különösen a gazdasági fellendülések kereslet növekedése gyakoroltak nagy hatást. Az előbbiek inkább a gyártás szervezés, a logisztika, az utóbbiak a tervezés és kivitelezés módszereinek fejlesztése vonatkozásában. A műszaki ismeretek rendszerezése (gépelemek, géptan, gép-szerkezettan stb.), a szabványosítás és a szakmai információ-átadás folyamatos javulása (cikkek, internet, könyvek stb.) lehetővé teszi, hogy egy ismert, vagy teljesen új megoldás szülessen, támaszkodva a tervezőmérnök korábbi tapasztalataira a benyomásokra, az egyéni kreativitásra. Ez a szinte művészi képességeket igénylő, megérzésen, élményszerű felismerésen alapuló tervezés az angolszász tervező-iskolára jellemző. Azonban az intuitív tervezés képességeivel nem minden konstruktor rendelkezik. A korábbi szakmai irodalomban a „géptervezés” (machine design) címszó alatt tulajdonképpen méretezési elveket, gépelemeket, gépegységeket tartalmazó írásokat, könyveket találunk. A „tervezőmérnök” a nagy rajzgép előtt görnyedő, sokszor fehér köpenyes szakember volt, a terv pedig az elkészült tervrajz, amelynek felhasználásával lehetett a gyártást elvégezni. Ez a szemlélet már a múlt században jelentősen megváltozott.
Az új műszaki, gépi koncepciók szisztematikus megalkotására és kiválasztására irányuló módszerek, a módszeres géptervezés gyökerei az 1920-as évek Németországából erednek, aztán az ötvenes évek után váltak uralkodó tervezési elméletté (ezt német tervezési iskolának is hívják). Ma már két folyamat különül el: a „tervezés” alatt a célnak leginkább megfelelő koncepció felállítást értjük, a „megtervezés” során, az optimális verzió kivitelezését lehetővé tevő összes műveletet (pl. méretezés, rajzok elkészítése, gyártási folyamat leírása). Hagyományos értelemben a rajzasztal sem létezik már, a rajzok digitálisan, jobbnál jobb támogató szoftverek segítségével készülnek. Sokszor elmarad a rajz „fizikai” megjelenítése (kinyomtatása) is, elkészíthetők a gép, illetve a gépelemek háromdimenziós képei, sőt a szerkezet működése is szimulálható.
A gyártás vonatkozásában ma már az is lehetséges, hogy a gyártó szerszámgép (CNC, Computer Numerical Control) numerikusan kapja az adatokat és legyártja az alkatrészt. A háromdimenziós nyomtatástechnika alkalmazásával a gép valós modellezése (makettje) mellett, a használt (nyomtató) anyagok (filamentek) rohamos fejlődésével egyre több esetben a gép része, vagy egésze is elkészíthető!
A ma végző gépészmérnökök többsége, mint a tervezés, mint a megtervezés és a gyártás területén rendelkeznek a legkorszerűbb ismeretekkel, tehát a koncepcionális géptervezés elemeivel. Ezért a módszer rövid áttekintése az élelmiszergazdaság, az agrártermelés más szereplőivel való gyümölcsöző együttműködés miatt fontos.
A koncepcionális géptervezés
A sikeres tervezéshez, legyen szó áttervezésről, vagy teljesen új gép kialakításáról a lehető legpontosabban ismerni kell a célokat, amelyet általában „követelményrendszernek” hívunk.
Ez a felsorolás tartalmazza a „kötelező”, mindenképpen elvárt és az „alternatív”, esetleg elhagyható előnyös tulajdonságokat, amelyek teljesíthetősége esetleges (technikai vagy gazdaságossági okok miatt). Sok esetben itt az „óhaj” kategóriába tartozó tulajdonságok is szerepelhetnek, amelyek teljesítése akár irányított kutatást is igényel. A mezőgazdasági gépek esetében fontos, hogy az elvárások sokszor nem műszaki jellegűek (pl. serülés elkerülése, érettség, laktációs állapot, szennyezettség).
Tulajdonképpen minden tervezési módszer esetében fontos a célrendszer pontos meghatározása. Az intuitív tervezést követőknél is kialakult a sorozatos közelítés módszere: először egy megoldási modell kialakítása, annak bírálata alapján egy javított változat mindaddig amíg van jobbító ötlet. Az optimalizáló iterációnak tekinthető utolsó verziót lehet véglegesnek tekinteni. Ezt az optimumot „felismerő” (kognitív) modell több változata ismert (pl. Horváth, Yoshikawa, Oshuga).
A módszeres géptervezés kiküszöböli a kognitív hibáit, például a teljes gépmodellre irányuló intuitív képesség igényét, a részegységeknél adódó esetleg nem felismert kedvezőbb megoldást, vagy egy hibás elv növésének kockázatát.
A módszeres (szisztematikus, diszkurzív) géptervezés (1. ábra) lényegi eleme a pontosított működési követelmények által meghatározott gépi funkcióik szétválasztása és az itt megvalósuló anyag, energia és információfolyam elemzése, az ezekkel létrehozható kapcsolatok által a funkcióstruktúrák elkészítése.
- ábra A módszeres géptervezés rendszerének kapcsolódásai (Pahl-Beitz)–
Ily módon leegyszerűsítve fogalmazható meg az egyes részfunkciók feladata és működési feltételei, lehetőséget nyújtva a műszaki megoldások, koncepciók felvázolására. A módszer másik lényegi eleme, hogy ezeknek a variálásával a tervezett gép igen nagy számú koncepcionális megoldását tudjuk létrehozni. A módszer fejlesztői számos eljárást dolgoztak ki a megoldási variációk értékelésére és hiba-analízisére a követelményrendszer figyelembevételével. Ezek alkalmazásával a nem megfelelő megoldások javíthatók, vagy elvethetők, a műszaki értékelemzéssel pedig kiválasztható az a gép-modell, koncepció, amely legjobban megfelel az elvárásoknak.
- ábra A tervező modellek egymásra épülése
Az egyes tervező modellek fejlődési folyamata és módszerei jól elkülöníthetők (2. ábra) a gyakorlatban azonban a diszkurzív módszer alkalmazása esetén is a kognitív és különösen az intuitív, képességek, a kreativitás, műszaki ismeretek és tapasztalat is szükséges. Mindenesetre a diszkurzív tervezési folyamat minősége kevésbé függ a tervező intuitív képességeitől, azt is mondhatjuk: jó feladat megjelölés esetén nem maradhat el a siker. A szakértelem persze kell, és időráfordítás a módszer azonban tematikusan haladó a megoldás felé, tehát a tervezési idő is kalkulálható. A piramis tetején lévő rendszer is folyamatosan fejlődik: a használatos gépelemek, mechanizmusok, rész-megoldások rendszerbe foglalásával kialakult a katalógus felhasználásával történő módszeres géptervezés. Innen egy lépéssel jött létre a számítógéppel támogatott géptervezés, amely ma már nem csupán a koncepcionális ötleteket, javaslatokat nyújtja, hanem az alkalmazott tervezési algoritmus szerint az egyes műveleteket is felkínálja. Aztán rohamléptekkel jön a mesterséges intelligencia alkalmazása….
Láthatóan: egyre nagyobb jelentőségű a vertikális, a termékpálya figyelembevételével történő gépfejlesztés!
A géptervezés céljai
A mezőgazdasági gép fejlesztésénél, tervezésénél különösen nagy jelentőségű a célrendszer, a követelmények jó megfogalmazása. Alapvetően a tényleges működés során élő szervezet lehet a „gépelem” (pl. állat, növény), valamint a környezet is jelentősen változhat (pl. a talaj esetén a víz mechanikai hatása igen nagy lehet ugyanazon a helyen). A vertikális géprendszer fejlesztésével, tervezésével korábbi írásunkban foglalkoztunk. Bemutattuk, hogy a mezőgazdaságból származó alapanyagot versenyképesen feldolgozóipart kiszolgáló géprendszer hiányzó elemének gyártása, vagy fejlesztése kihívást jelent, lehetőséget nyújt a mezőgépiparunknak.
Ez a szemlélet azért is jó, mert – mint azt a hazai gabonatechnikában is látjuk – ekkor igen jól határozható meg a követelményjegyzék, értékelhető a gép adott helyen igényelt használati értéke. Az agrár technológiafejlesztéssel összhangban megvalósuló gépfejlesztés igen sikeres horizontális géprendszer- fejlesztést indít el.
Világviszonylatban is egyedülálló funkcionális gépfejlesztés valósult meg hazánkban például a kombájn adapterek területén az Optigép Kft, a Linamar Hungary Zrt. és a CLAAS Hungária Kft. fejlesztései révén. Például a CLAAS adapterek számos variációja biztosítja a „hagyományos” konstrukció mellett a helyi termelési adottságokhoz illeszkedő variálhatóságot, a különböző növényfajok gazdaságos betakarítását (3. ábra).
- ábra A CLAAS gyári rendszerben végzett koncepcionális géptervezésének világszínvonalú adapter fejlesztései (CLAAS, Csanádi 2022)
A horizontális géprendszer tervezésénél is fontos a célok és követelmények pontos meghatározása. Napjaink időjárása, a klímaváltozás hatásai nagy kihívást jelentenek a gépgyártásnak is. Például a csapadék vonatkozásában nem mindegy, hogy az öntözés, a vízgazdálkodás, vagy „egyszerűen” az adott helyen lévő növény igényelt vízellátását fogalmazzuk meg „alapfeladatnak”. Látható, hogy az utóbbi esetben biztosan nagyobb szerepet kap a melioráció és az esetleges vízellátás eszközei mellett minden más tényező, a talajállapottól (beleértve a művelést is) a növényfajtán át az egyéb biológiai, vagy kémiai megoldásokig, nem is szólva a növényi aktuális vízigényt jól mérő és vezérlő műszerekről, digitális rendszerekről.
Nem jó az a követelményrendszer, amely nem tartalmaz gazdaságossági elemeket: pontosan tudni kell, hogy mekkora lehet a gép előállítási költsége, kalkulálhatónak kell lenni a termék profitszerző képességének is. A célrendszer változtatható elemeit a módszeres géptervezés során lehet módosítani, amennyiben az jelentősen növeli a funkció minőségét. A forgalomban lévő termékek esetében is fontos lenne a „nyomon követés” (traceability), a nagy mezőgazdasági gépgyárak erre is dolgoztak ki rendszereket.
Néhány következtetés
Amennyiben jól definiált célrendszerrel rendelkezünk, lehet jó, versenyképes mezőgazdasági gépet tervezni az ismertetett módszerekkel. A jó műszaki egyetemeken ez tananyag. A nagy, különösen a multinacionális mezőgépgyárak saját digitális tervező rendszerekkel rendelkeznek, amelyek építenek a vállalat információ-bankjára, a kísérleti és vizsgálati, valamint irányított alapkutatási eredményeikre igen nagy kiberbiztonság mellett.
A vertikális géprendszerek termelési célnak megfelelő piactudatos tervezési módszerét is alkalmaznunk kell, mivel a termékpálya bármely szakmai elemének fejlődése a technika követését igényli. Eddig a géprendszer fejlesztés területen elsősorban a géprendszer megtervezésével foglalkoztak, tehát a rendelkezésre álló gépi eszközök és erőforrások kihasználásának optimalizálásával. Kétségtelen fontos a gazdaságban meglévő gépek használata, de egy jobb termékpálya esetén gazdaságos lehet a csere, új gép beszerzése.
Termelői oldalon nincs megfelelően kihasználva a beruházás mellett a géphasználat számos más lehetősége, például a lízing konstrukciók a bérlés és bérmunka, a termelői egyéb szövetkezések, közös géphasználat, gépkörök, az integrációs szolgáltatások. A fejlesztői oldalon hazánkban szintén gyengék az együttműködések, pedig rengeteg, alapvetően külföldi példa van. Például a genetika, vagy a növényvédőszer, műtrágya fejlesztéssel foglalkozó nemzetközi vállalatok nem csupán a vetőmagot, kemikáliát, hanem teljes technológiát kínálnak, beleértve a géprendszert is. Sőt a kutatás fejlesztés területeit is integrálják, természetesen a menedzselt termékpálya mentén! A mezőgépgyártás területén is szinte évente jönnek létre nagy nemzetközi szervezetek, a legutóbbi Agritechnikán a Fendt, Massey Ferguson és Valtra traktormárkákat gyártó AGCO csoport jelentette be az „AGCO Ventures” létrejöttét, amely start-up cégekkel, kockázati alapokkal, inkubátorokkal, egyetemekkel és kutatóintézetekkel fog együttműködni.
Mindezek alapján két további fontos megállapítást tehetünk: a szakterület nem túl kedvező tudománymetriai lehetősége miatt a hazai irányított agrárműszaki alapkutatás gyakorlatilag megszűnt. Éppen a műszaki és az élő szervezetek interakciója miatt erre óriási szükség lenne az új technológiai és gépfejlesztési sikerességhez.
A másik terület a gépvizsgálatok fontossága, amelyet a jelentős agrár indíttatású országokban intézményesen és nagyon sikeresen végeznek. Miért?
A válasz rövid kifejtésében talán segít a korábban már részben bemutatott 4. ábra., amely azt akarja szemléltetni, hogy a mezőgazdasági termelés során egy csomó inputot transzformálunk a közjót támogató, illetve a gazdálkodó profitját növelő termékké.
- ábra A mezőgazdasági gépek használati érték és fejlesztővizsgálatának kapcsolódásai
A termelést egy transzformációként fogjuk fel, például esetünkben a gépesítés szerepét a létrehozott kimenetekben (outputok). A gondot az jelenti, hogy a hatást rengeteg olyan tényező befolyásolja, ami például egy ipari gép esetén nem létezik. Gondoljunk például az időjárásra: a szél, a csapadék, a napsütés, a hőmérséklet stb. komoly hatást gyakorol a gép munkaminőségére és még szóba sem hoztunk sok más fontos környezeti tényezőt. Szinte minden művelet egy-egy műszaki megoldásáról szóló szakmai vitákon, sajnos sokszor nem megalapozott érvekkel, rengeteg egymással ellentmondó véleményt halhatunk! Az igazság az, hogy egy adott mezőgazdasági gép használati értéke teljesen más lehet eltérő körülmények, feltételek esetén. Gondolom nem nehéz belátni: ezt a jellemző halmazt, az adott helyen, adott termelő számára az alkalmazott gép használati értékét ismerni elengedhetetlenül fontos a sikeres termeléstechnológia fejlesztéséhez! Erre mindig szükség lenne, különösen tényleges hatások (pl. klímaváltozás), illetve gazdasági érdekrendszerek mentén kialakuló „uralkodó gépesítési elvek” igazolásához, vagy elvetéséhez (illetve az elv „értelmezési tartományának” tisztázásához). Ahogy mondani szokták, sokszor kellene „tiszta vizet önteni a pohárba”.
Amennyiben az említett szántóföldi, telepi vizsgálatokat hazai gyártású gépekkel végezzük, „két legyet ütünk egy csapásra”! A gépeink nem „szabványos” anyagokkal dolgoznak, a talaj, a növény vagy az állat „műszaki jellemzői”, például az időjárás alapján, akár nagyságrendekkel eltérőek lehetnek. Nincs olyan numerikus program, méretezési elv, amelyek ezt a hatást konkrét mérések nélkül figyelembe tudja venni. A használati érték (minőségi) mutatók mellett a műszaki részletek, adatok rögzítésekor tehát egy kalap alatt fejlesztő vizsgálatot is végzünk. Lehet a gépen változtatásokat végezni, vezérlési megoldásokat belőni, a nemlineáris hatásokat optimalizálni! Döntéshozó vetette fel: hogyan lehet fejlesztővizsgálat egy forgalomban lévő gép szántóföldi mérése? Hát így. És még egy érv: a legolcsóbb modell gép a meglévő, akár adatszerzési, akár fejlesztési cél esetén. Minden tőkeerős nagy gépgyárnak ez nem kérdés, elég egy pillantást vetni a 3. ábrára. A hazai, alapvetően KKV körbe tartozó mezőgazdasági gépgyárak fejlesztési hatékonyságát tehát jelentősen növelhetné a gépvizsgálatok megszervezése. Ugyanis ez nem csupán adott területeken történő szemrevételezést, felhasználói véleményt jelent, hanem komoly felkészültséget igénylő műszeres mérést és kiértékelést!