Was bringt die Raupe?

Transkript

1 Reifen und Räder Was bringt die Raupe? Dirk Ansorge untersuchte an der Cranfield-University, England, die Bodenverdichtung verschiedener in der landwirtschaftlichen Praxis eingesetzter Laufwerke. Erstmals wurden dabei auch Messungen nach mehrmaligen Überrollungen, z.b. die Kombination Raupe-Rad, oder eines Dreiachsers, durchgeführt. Was bei der ersten Raupenuntersuchung im Labor an interessanten Ergebnissen heraus kam, lesen Sie im nachfolgenden Beitrag. Werkfoto

2 Ein nasser Herbst, wie im letzten Jahr, mit oftmals deutlich sichtbaren Erntespuren auf den Äckern führt dazu, dass das Thema Bodenverdichtung und Bodenschutz verstärkt Aufmerksamkeit bekommt. Die kritische Frage ist, wie man unter solchen Bedingungen den Boden schont und die Verdichtung so gering wie möglich hält, aber trotzdem noch seine Ernte vom Acker bekommt? Es gibt unterschiedliche Ansätze: Verbesserung der Laufwerke durch Absenkung des Kontaktflächendrucks, geringerer Reifeninnendruck, Verteilung der Last auf zusätzliche Reifen (Mehrfachüberrollung) Raupenlaufwerke, Reduzierung der Maschinengewichte. Eine Reduzierung der Maschinengewichte ist von den genannten Lösungen am weitesten von der Praxis entfernt, da dadurch entweder die Maschinen kleiner und damit weniger produktiv oder durch aufwändige Legierungen sehr viel teurer würden. Bodenschutz lässt sich also am realistischsten über verbesserte Laufwerke erreichen. Doch welches Laufwerk verursacht wie viel Bodenverdichtung und wie groß sind die Unterschiede? Die Untersuchung Das Thema Laufwerke und deren Einfluss auf die Bodenverdichtung wurde an der Cranfield University (Silsoe, England) aufgegriffen. In einer Studie wurde die Bodenverdichtung nach der Überfahrt einzelner Reifen (mit verschiedenen Luftdrücken) mit der eines handelsüblichen Raupensystems verglichen. Anschließend wurden unterschiedliche Laufwerkskonfigurationen von Erntemaschinen in Bezug auf ihre Bodenverdichtung verglichen. Die Untersuchungen wurden in einer Bodenrinne mit natürlichem Ackerboden unter kontrollierten wiederholbaren Bedingungen durchgeführt. Dadurch ließ sich gewährleisten, dass für alle Versuche identische Bodenbedingungen vorlagen und somit die Ergebnisse auf Unterschiede in den Konfigurationen - und nicht auf Umwelteinflüsse zurückzuführen waren. Zur Erzeugung echter Einsatzbedingungen in der Bodenrinne wurde ein 16 t schwerer Testrahmen für die Versuche konstruiert. Der Rahmen überträgt bis zu 14 t hydraulisch über eine Achse auf einen angetriebenen Reifen / Raupe. In Feldversuchen mit ganzen Erntemaschinen wurden die Ergebnisse aus der Bodenrinnen bestätigt. Bodenbedingungen bei der Untersuchung Der sandige Schluff in der Bodenrinne wurde in 5 cm-schichten über eine Länge von 15 m eingebracht und mit einer Walze bis zur gewünschten Dichte vorverdichtet. Bevor die nächste Schicht eingebracht wurde, wurden Talkumstreifen in drei Wiederholungen auf die Bodenoberfläche aufgebracht. Dieses Verfahren wiederholte sich, bis der Boden eine Mächtigkeit von 0,75 m hatte. Die Versuche wurden mit einer Geschwindigkeit von 3-4 km/h gefahren. Nach der Überfahrt wurde der Boden angeschnitten und die Talkumlinien erschienen im Profil als weiße Punkte. Aus den unbeeinflussten Punkten außerhalb der Spur wurde die ursprüngliche Tiefe einer jeden Schicht bestimmt. Die Punkte unter dem Reifen oder der Raupe zeigen durch ihre Verlagerung die Bodenbewegung, woraus sich die Bodenverdichtung bestimmen lässt. Der Boden wurde zu zwei unterschiedlichen Dichten präpariert. Zum Einen wurde eine einheitliche Dichte mit geringer Tragfähigkeit des sandigen Schluffs von 1,4 g/cbm gewählt. Dadurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Reifen/Raupe und Fahrwerken hervorgehoben. Zum Anderen wurde ein geschichteter Aufbau mit Unterboden, Pflugsohle und Arbeitstiefe, so wie er im Feld vorkommt, nachgestellt. Die entsprechenden Bodendichten betrugen 1,5 g/cbm, 1,6 g/cbm und 1,4 g/cbm. Bei allen Versuchen betrug die Bodenfeuchte 10 Prozent.

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4 Untersuchte Laufwerke Zu Beginn der Studie wurde ein TerraTrac Raupenlaufwerk mit 12 t Last (T 12) und die folgenden Reifen mit 10,5 t auf einheitlicher Bodendichte untersucht: ein 800/65 R32 Reifen bei 2,5 bar (800/10.5/2.5), ein 900/60 R32 Reifen bei 1,9 bar (900/10.5/1.9) sowie der 800er Reifen bei 1.25 bar (800/10.5/1.25). Die Raupe hat durch ihr höheres Eigengewicht unter gleichen Einsatz-bedingungen eine größere Last zu tragen. Die Raupe sowie der 900er Reifen wurden zusätzlich auf einem geschichteten Boden - der ein Feldprofil nachstellt - untersucht. Im Anschluss wurden gesamte Fahrwerkskonfigurationen verglichen. Eine Last von 30 t wurde dabei wie folgt aufgeteilt: Gleiche Last auf Vorder- und Hinterachse (680/7.5/ /7.5/1.5) einer Überlademaus entsprechend Gleiche Last auf drei Achsen verteilt (900/5/0.5 drei Überfahrten) einem Erbsenvoll- ernter mit großen Reifen entsprechend Ungleiche Last auf der Vorder- und Hinterachse mit 21 t bzw. 9 t Last (900/10.5/ /4.5/1.0) einem Mähdrescher entsprechend Des weiteren wurde ein Halbraupensystem mit ungleicher Lastverteilung (24 t auf Vorder- und 9 t auf Hinterachse) mit einem Maschinengewicht von 33 t (T12-700/4.5/1.0) untersucht. Dies entspricht einem Mähdrescher auf Halbraupen. Zusätzlich wurde die Fahrwerkskonfiguration eines Mähdreschers, mit 11 t Gesamtgewicht und einer Reifenbreite, die der Bandbreite der Raupe entspricht, in Betracht gezogen (23/4/1.2-11/1.5/2.0). Bodendeformation durch einfach Überrollung mit der Vorderachse Die Abbildung 1 zeigt anschaulich wie die Bodendeformation durch breitere Reifen mit geringerem Luftdruck absinkt (900/10.5/1.9 gegenüber 800/10.5/2.5). Eine Reduzierung des empfohlenen Reifeninnendrucks zu Versuchszwecken auf die Hälfte (800/10.5/1.25), senkt die Bodenverdichtung signifikant. Dies zeigt anschaulich das Potential von Reifendruckregeleinrichtungen. Mit Hilfe dieser Einrichtungen ist es möglich, immer den geringst möglichen Luftdruck zu fahren, anstatt permanent den maximalen Druck zu verwenden, da man sonst von Hand aufpumpen bzw. Luft ablassen müsste. Im Vergleich zu dem Reifen bei halbiertem Reifeninnendruck ist die Bodendeformation nach einer Gummibandraupe (T12) nochmals deutlich geringer trotz höherem Gewicht. Auf diesem sehr verdichtungsanfälligen Boden, der gewählt wurde, um die Unterschiede deutlich hervorzuheben, erzeugen die Reifen bei normalem Luftdruck eine Zunahme der Bodendichte von etwa 17 %. Die Halbierung des Luftdrucks senkt die Zunahme auf 12 %. Für die Raupe beträgt die Zunahme 13 %. Dies ist höher als für den Reifen mit halbiertem Luftdruck, obwohl das Diagramm zeigt, dass die Bodendeformation geringer ist. Die Ursache dafür ist, dass die Dichtezunahme über die obersten 50 cm gemittelt wurde und die Raupe, wie im Diagramm zu sehen, ab 50 cm keine Bodendeformation mehr erzeugt. Im Gegensatz dazu beträgt die Bodendeformation nach Überfahrt der Reifen in 50 cm Tiefe noch mm. Diese Tatsache ist bei der Dichtezunahme nicht berücksichtigt und verfälscht die Berechnungen, zeigt jedoch deutlich den schonenden Effekt der Raupe speziell für den Unterboden.

5 Bodenverdichtung durch Vorderachse auf geschichteten Bedingungen Bei den simulierten Feldbedingungen, wobei ein geschichteter Dichteaufbau des Bodens erzeugt wurde, ist die absolute Bodendeformation etwa um den Faktor 5 zurückgegangen. Dies wurde durch die höhere Dichte, und damit den tragfähigeren Boden, verursacht. Wie die Abbildung 2 mit dem Penetrometer-Widerstand zeigt, stellen die geschichteten Bedingungen sehr gut einen typischen Ackerboden mit Unterboden, Pflugsohle und Arbeitstiefe nach. Die Bodendeformation der Raupe (T 12-Feldsituation) verglichen mit der des Reifens (900/10.5/1.9-Feldsituation), zeigt weiterhin einen Unterschied. Ab der Pflugsohle in 200 mm Tiefe verursacht die Raupe keine Deformation und damit keine Verdichtung mehr. Im Gegensatz dazu nimmt die Deformation bei dem Reifen bis in eine Tiefe von 500 mm ab. Zwischenfazit Ein klarer Vorteil für Raupen in Bezug auf Bodendeformation und damit Bodenverdichtung hat sich nach einer einzelnen Überfahrt gezeigt. Daran anschließend stellt sich die Frage, wie sich dieser Vorteil verhält, wenn man die Überfahrt ganzer Laufwerke in Betracht zieht. Was passiert in Bezug auf die Bodenverdichtung durch mehrere Überfahrten von unterschiedlichen/gleichen Reifen und was in Bezug auf eine zusätzliche Überfahrt eines Hinterreifens nach einer Raupe - wie beispielsweise am Halbraupenlaufwerk? Ergebnisse von gesamten Fahrwerken Wie Abbildung 3 zeigt, entspricht die Bodenverdichtung eines modernen Mähdreschers mit Reifenfahrwerk (900/10.5/ /4.5/1.0) und 30 t Gesamtgewicht einer Maschine mit gleicher Gewichtsverteilung auf der Vorder- und Hinterachse bei gleichem Gesamtgewicht und etwas schmäleren Reifen (680/7.5/ /7.5/1.5). Die Bodendeformation nach einem Halbraupenlaufwerk mit einem Maschinengewicht von 33 t (T12-700/4.5/1.0) verursacht im Vergleich zu den vorherigen Konfigurationen signifikant weniger Bodendeformation. Das Halbraupenlaufwerk zeigt eine Bodendeformation, die genau so groß ist, wie die von einem Mähdrescherreifenfahrwerk bei gleicher Spurbreite und 11 t Last (23/4/1.2-11/1.5/2). Dies zeigt anschaulich, dass der Vorteil des Raupenlaufwerkes nach der zusätzlichen Überfahrt bestehen bleibt. Die Bodenverdichtung, verursacht durch drei Überfahrten des 900er Reifens (900/5/0.5 drei Überfahrten) einem mehrachsigen Fahrzeug mit gleicher Gewichtsverteilung entsprechend befindet sich im gleichen Rahmen. Dadurch wird anschaulich, wie viel Aufwand in Bezug auf die Anzahl Achsen und die Reifengröße betrieben werden müsste, um in den Bereich von Halbraupenfahrwerken zu kommen. Bodendeformation durch gesamte Fahrwerke Die Bodenverdichtung nach der Überfahrt der Raupe wird nur gering durch die zusätzliche Überfahrt der Hinterachse beeinflusst (Abb. 3). Die Ursache dafür ist eine durch die Raupe verursachte sehr tragfähige Schicht direkt an der Oberfläche. Die Last der zusätzlichen Überrollung wird von dieser Schicht getragen, ohne weitere Verdichtungen zu verursachen, da die Last elastisch auf dem Boden darunter abgestützt wird. Daher ist es bei Raupenlaufwerken wichtig, dass das Hinterrad in der Spur der Raupe läuft. Unterschiede in Penetrometermessungen In Penetrometerwiderstandsmessungen ist die zuvor erwähnte Schicht verursacht durch die Raupe sehr gut zu sehen. Nach der Raupe ist der größte Widerstand direkt an der Bodenoberfläche zu messen und fällt dann sehr stark ab (Abbildung 4). Nach der Überfahrt eines Reifens hingegen, zeigt sich ein einheitlicher Penetrometerwiderstand über der Tiefe, der ab 250 mm einen größeren Wert annimmt als nach der Raupe. Die Spitze im Penetrometerwiderstand nach der Raupe wird durch die Kombination der langen Aufstandsfläche und der Traktionskräfte erzeugt. Dadurch kann der Boden nicht - wie bei der Überfahrt eines Reifen - nach hinten ausweichen und wird direkt an der Oberfläche in Fahrtrichtung verdichtet.

6 Zugkräfte zur Lockerung der Fahrspuren Nach der Überfahrt von Reifen bzw. Halbraupenmaschinen wurden in weiteren Versuchen die Zugkräfte eines Tiefenlockerers bestimmt. Die Messungen ergaben einen stärkeren Anstieg des Zugkraftbedarfs mit der Tiefe für Reifenmaschinen als für Raupenmaschinen. Um daraus Rückschlüsse für den Landwirt zu ziehen, ist die Arbeitstiefe nach den einzelnen Überfahrten zu beachten. Wie aus den Penetrometerwiderstandsmessungen in Abbildung 4 hervorgeht, kann nach der Überfahrt einer Raupe bei der Lockerung des Bodens flacher gearbeitet werden als nach der Überfahrt eines Reifens. Da nach Halbraupen die größte Abnahmerate im Penetrometerwiderstand in 35 cm überschritten ist, wurde dies als Arbeitstiefe angenommen. Wenn man bei Reifen bis zum gleich niedrigen Penetrometerwiderstand, wie nach der Halbraupe, arbeiten wollte, müsste eine Arbeitstiefe von 70 cm gewählt werden. Da dies nicht praktikabel ist, wurde nach den Reifen die gewöhnlich maximale Arbeitstiefe eines Tieflockerers von 45 cm angenommen. Der niedrigere Zugkraftbedarf nach Raupen führt zusammen mit dem Unterschied der Arbeitstiefe zu etwa 1/3 des Zugkraft- und Leistungsbedarfs nach Raupen im Vergleich zu Reifen (Abbildung 5). Dadurch können nach Raupen kleinere und leichtere Schlepper eingesetzt werden wie nach Reifen. Allein der Leistungsunterschied zur Lockerung der Fahrspuren der Erntemaschine mit 7.5 m Arbeitsbreite ergibt einen Mehrbedarf von 6,3 l/ha Diesel nach Reifen im Gegensatz zu Raupen. Als zusätzlicher Vorteil für Halbraupensysteme lassen sich potentielle Mehrerträge durch Bodenschonung sowie bessere Traktion und erweiterter Erntezeitraum für die Raupenfahrwerke nennen. Schlussfolgerung Die Untersuchungen heben das Potential und die Bedeutung von Fahrwerkskonfigurationen zur Reduzierung der Bodenverdichtung hervor. Bei guter Gewichtsübertragung kann mit modernen Erntemaschinen die Bodenverdichtung in Bereichen von Maschinen, die nur 1/3 wiegen und schon seit mehr als 30 Jahren in der europäischen Landwirtschaft eingesetzt werden, gehalten werden. Dies veranschaulicht sehr deutlich, dass Achslastbeschränkungen zu kurz greifen würden. Im Gesamten gilt es zu beachten, dass bodenschonende Fahrwerke nur Sinn ergeben, wenn sie in der gesamten Erntekette vorhanden sind und sich nicht auf Erntemaschinen beschränken. Denn das beste Fahrwerk von Erntemaschinen verliert seinen Effekt und damit Sinn, wenn zum Beispiel auf alte LKW-Anhänger mit Reifen, die bei einem Luftdruck von 8 bar laufen, überladen wird, da diese den Boden viel mehr verdichten als jeder Landwirtschaftsreifen. Der Autor arbeitet seit Abschluss seiner Untersuchungen an der Cranfield University in der Entwicklungsabteilung der Firma Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH, Harsewinkel. Bildliche Zuordnung von

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