Entwicklung eines Moduls für die Bewertung von Zugkraft, Schlupf und Oberbodengefährdung bei Antriebsreifen und Integration in die PC-Applikation TASC (Kurztitel: TASC mit Schlupf)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 225.16.07

Schlüsselwörter (Deutsch)

Schlupf, TASC, Bodenverdichtung, ART Tänikon

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Bodenverdichtung durch schwere Erntemaschinen ist ein wesentliches Problem, das einen grossen Teil der Fruchtfolgeflächen der Schweiz betrifft. Seit einiger Zeit liegt mit TASC (Tyres and soil compaction) eine praxistaugliche PC-Applikation der ART für die Entscheidungsfindung bei der Ausrüstung und dem Einsatz von Maschinen und Geräten für den Ackerbau vor. Mit numerischem und graphischem Output lässt sich die Bodenbeanspruchung durch Reifen- und Raupenfahrwerke je nach den Fahrwerkparametern und den Bodeneigenschaften beurteilen sowie die maximal zulässige Belastung je nach Bereifung, Reifeninnendruck und Fahrgeschwindigkeit berechnen.

Als Ergänzung der Applikation sollen nun in einem zusätzlichen Modul die Effekte von Zugkraft und Schlupf berücksichtigt werden. Zugkraft und Schlupf hängen eng mit der Reifendimension, der Radlast, dem Reifeninnendruck und der Oberbodenbeschaffenheit zusammen. Mit breit dimensionierten Niederdruckreifen wird die hohe Zugleistung von schweren Traktoren auf einer weichen Oberfläche optimal ausgenützt. Auf einer harten, rutschigen Oberfläche ist eher schmale Bereifung für die Zugkraft von Bedeutung. Es soll deshalb abgeklärt werden, unter welchen Boden- und Belastungsverhältnissen Breit- bzw. Schmalbereifungen eher angezeigt sind. Damit sollen Landwirte und andere Nutzer die Zugleistung der Maschinen, den Schlupfanteil und die daraus resultierende Oberbodengefährdung selber beurteilen und die Bereifung den aktuellen Bedürfnissen anpassen können.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Detailliertes Versuchskonzept und neue Version TASC V2.0 (Meilenstein 1).

2. Zwischenberichte über die bisherigen Ergebnisse Mitte 2009 (Meilenstein 2) und Mitte 2010 (Meilenstein 3). 

3.  Neues Modul „Zugkraft und Schlupf“ bereit für Integration in TASC, Mitte 2011 (Meilenstein 4).

4. In der Version TASC V3.0 implementiertes neues Modul zu Zug, Schlupf und Oberbodengefährdung und fertig gestellte Dissertation, Ende 2011 (Meilenstein 5).

Projektziele (Deutsch)

Im Rahmen dieses Projekts soll ein zusätzliches Bewertungsmodul zu Zugkraft, Schlupf und Oberbodengefährdung entwickelt und in die TASC-Applikation integriert werden.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

 

Das Ziel des Projektes liegt darin, ein zusätzliches TASC-Berechnungsmodul für die Praxis zur Evaluation der Zugkraft und des Schlupfes mit Angaben über die Schergrenze des Oberbodens bereitzustellen. Anhand von Zugkraft- und Schlupfmessungen auf fünf verschiedenen Böden mit fünf unterschiedlich ausgerüsteten Traktoren lässt sich der Einfluss des Bodens (physikalische und mechanische Eigenschaften), der Reifendimensionen, der Radlast und des Reifeninnendruckes auf die Zugkraft, auf den Schlupf und auf die Bodenstruktur quantitativ aufzeigen und das neu bereitgestellte Berechnungsmodul validieren.

Das semi-empirische Modell von Osetinsky und Shmulevich galt als Grundmodell. Die dynamische Bodenreaktion, die Lastübertragung von der Vorder- zu der Hinterachse bei zunehmender Zugkraft und die maximal mögliche Scherspannung je nach vertikaler Druckspannung (als Kriterium zur Festlegung der Bodenschadschwelle unter Schlupf) wurden zusätzlich berücksichtigt und im neuen Modell integriert.

Feldmessungen und Berechnungssimulationen zeigen unter anderem, dass ohne 15 % Schlupf zu überschreiten, die Zugkraft um 20 % des Traktorgrundgewichtes und mehr durch angepasste Ballastierung, Doppelbereifungen und tiefe Reifeninnendrücken erhöht werden kann. Je nach Bodeneigenschaften und ohne zusätzliche Traktorausrüstung, liegt bei 15 % Schlupf das Verhältnis Zugkraft/Traktorgewicht zwischen 40 % (trockener Sand) und 55 % (feste, trockene Wiese). In einem Bereich zwischen 12 und 17 % Schlupf treten die ersten Oberbodenschäden in Form von irreversiblen Scherungen auf.

* Osetinsky A., Shmulevich I., 2004. Traction performance simulation of a pushed/pulled driven wheel. Trans. ASAE 47(4): 981- 994

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Analog zu den anderen TASC Modulen wie „Druckausbreitung" oder „Fahrspurflächenanteil" werden im Modul „Zugkraft und Schlupf" tabellarisch die erforderlichen Eingabeparametern abgefragt. Vordefinierte Bodeneigenschaften oder Messwerte aus einfachen Feldtests (Schraubenziehertest, Hacktest, Eindringtiefe des Stollens, Bodenkörnung) können ausgewählt bzw. eingetragen werden. Somit ist jeder Landwirt in der Lage, seinen eigenen Boden, einfach, rasch und zuverlässig zu beurteilen bevor er eine Zugarbeit vornimmt. Beim Traktor werden außer Reifendimension, Radlast und Reifeninnendruck, auch die Stollenhöhe, Radstand und Zughakenhöhe benötigt. Die Zugkraft-Schlupffunktion mit Oberbodengefährdungsangaben werden tabellarisch oder grafisch ausgegeben. Für einen ausgewählten Boden ist der Landwirt selber in der Lage, seinen Traktor so auszurüsten, dass er mit der erforderlichen Zugkraft seinen Oberboden schont. Ein solches Tool ist nicht nur für die Praxis sondern auch für die Weiterbildung, Beratung oder für die Konstrukteure (Traktoren, Reifen, Bodenbearbeitungsgeräte) von Bedeutung.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

ART hat vor, die Weiterentwicklung vom TASC zu stoppen und diese an Terranimo (ein web-basiertes Tool) weiterzugegeben. Es besteht nach wie vor ein großer Bedarf an weiteren, für die Praxis direkt anwendbaren Forschungsergebnissen. Der nächste Schritt bei der Berechnung der Zugkraft und der Schergrenze liegt darin, die Geometrie der Stollen ebenfalls zu berücksichtigen. Analog zum Reifen sollten angepasste Algorithmen für Raupenfahrwerke bereit gestellt werden. Strukturveränderungen des Bodens als Folge von Zusammendrücken und elasto-plastischen Scherungen sollten direkt unter den Stollen quantifiziert werden. Kriterien über ihre Tolerierbarkeit sollten ausgearbeitet werden. Parallel zur Bodengefährdung sollte der Energieverbrauch je nach Bodenbeschaffenheit und Maschinenausstattung ermittelt werden. Mechanisch physikalische Gefährdung von organisch bewirtschafteten Böden wurden bis jetzt kaum untersucht. Simulationsberechnungen mit Baumaschinen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen fehlen noch weitgehend.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Alaoui A., Lipiec J., Gerke H.H. 2011. A review of the changes in the soil pore system due to soil deformation: A hydrodynamic perspective. Review. Soil & Tillage Research 115-116 (2011) 1-15

A review of the changes in the soil pore system due to soil deformation: A hydrodynamic perspective. Review. Soil & Tillage Research 115-116 (2011) 1-15

Battiato A., Diserens E., Laloui L. 2008. Development of a new model for predicting the traction performance of tractor tyres and topsoil damage. Doctoral poster session ASPSA (31.10.)

Development of a new model for predicting the traction performance of tractor tyres and topsoil damage. Doctoral poster session ASPSA (31.10.)

Battiato A., Diserens E., Laloui L. 2009. Development of a new model for predicting the traction performance of tractor tyres and topsoil damage. BGS Jahrestagung, Wädenswil 05-06.02., S. 31

Development of a new model for predicting the traction performance of tractor tyres and topsoil damage. BGS Jahrestagung, Wädenswil 05-06.02., S. 31

Battiato A., Diserens E. 2011. Predicting topsoil damage from slip of tractor tyres. BGS Jahrestagung, Frauenfeld 10-11.02., S. 22

Predicting topsoil damage from slip of tractor tyres. BGS Jahrestagung, Frauenfeld 10-11.02., S. 22

Battiato A. Diserens E., Sartori L. 2011. Predicting topsoil damage from slip of tractor tyres -

. Predicting topsoil damage from slip of tractor tyres -

Analysis of the soil cutting effect from the tread of traction tyres. Proceedings VDI-MEG. Conference: Agricultural Engineering. Tagung Landtechnik 12.-13.11. Hannover.

Battiato A., Diserens E., 2011. Predicting topsoil damage from slip of tractor tires. Bodenkundliche Gesellschaft der Schweiz. Bulletin 32. 21-26

. Predicting topsoil damage from slip of tractor tires. Bodenkundliche Gesellschaft der Schweiz. Bulletin 32. 21-26

Diserens E., Duboisset A., Dufossez P., Alaoui A., 2011. Prediction of the Contact Area of Agricultural Traction Tyres on Firm Soil. Biosystems Engineering, 110(2), 73-82.

. Prediction of the Contact Area of Agricultural Traction Tyres on Firm Soil. Biosystems Engineering, 110(2), 73-82.

Diserens E., Battiato A., Heusser J., Schiess I., Alaoui A., 2011. Force de traction, patinage et consommation de carburant en grandes cultures. SSP – Congrès annuel 2011. 10./11.02. – Casino Frauenfeld p. 30. Bundesamt für Umwelt BAFU, Sektion Innovation, CH-3003 Bern

. Force de traction, patinage et consommation de carburant en grandes cultures. SSP – Congrès annuel 2011. 10./11.02. – Casino Frauenfeld p. 30. Bundesamt für Umwelt BAFU, Sektion Innovation, CH-3003 Bern

Diserens E., Alaoui A., 2011. Contact area of agricultural tyres, estimation. Encyclopedia of Agrophysics. Encyclopdia of Earth sciences Series. Edited by Jan Glinsky, Josef Horabik and Jery Lipiec, Insitute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences Lublin. Published by Springer, AA Dordrecht, The Netherlands: 148-153.

. Contact area of agricultural tyres, estimationEncyclopedia of Agrophysics. Encyclopdia of Earth sciences Series. Edited by Jan Glinsky, Josef Horabik and Jery Lipiec, Insitute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences Lublin. Published by Springer, AA Dordrecht, The Netherlands: 148-153.

Meier C., Alaoui A., Diserens E., 2010. Effet conjugué du patinage et de la compaction sur la structure d’un limon dans un chaume d’automne. Geosciences Actuel. 09/10/10

. Effet conjugué du patinage et de la compaction sur la structure d’un limon dans un chaume d’automne. Geosciences Actuel. 09/10/10