Vliv zatížených pneumatik na půdu

Současné moderní technologie zpracování půdy, předseťové a secí operace, ošetřování a sklizeň plodin se již neobejdou bez použití výkonné zemědělské techniky. Celkové hmotnosti samotných strojů a souprav se pohybují v širokém rozsahu od 12 do 30 tun, v některých případech i více, a v tomto okamžiku je nezbytné zaměřit pozornost i na jejich pojezdové ústrojí.

V České republice převažuje (a pravděpodobně nadále bude) používání výkonných kolových traktorů. Je to jednak z důvodů ekonomických: pásové traktory jsou pro běžného zemědělce cenově nevýhodné a rovněž velikost a členitost pozemků znemožňují optimální využití těchto kvalitních strojů.
Nejpoužívanějšími a nejsledovanějšími typy zemědělských pneumatik jsou tedy pneumatiky traktorové a návěsové.
Publikací na téma jejich vzájemného porovnání a vyhodnocení provozních vlastností byl vydán nespočet, ovšem detailnějšímu rozboru vlivu zatížené pneumatiky na půdu doposud pozornost věnována nebyla.
Zemědělci, který vlastní moderní těžkou zemědělskou techniku a chtěl by se dozvědět více, by mohl pomoci následující příspěvek.

Všeobecný přehled
 
Pneumatiky jsou jako každá nezbytná součást stroje neustále zdokonalovány a každý rok výrobci inovují a produkují nové, vylepšené typy nejpoužívanějších skupin. Jednak s ohledem na využití pro dané výkonnostní skupiny strojů (traktory, kombajny atd.), jednak i na konkrétní klimatické a půdní podmínky (tropy, subtropy, půdní druh atd.), kdy se požadavky neustále rozšiřují.
Za posledních 15 let se výkony motorů téměř zdvojnásobily a tomu se musí nutně přizpůsobit i konstrukce pneumatik. Diagonální pneumatiky postupně ustupují radiálním a nízkotlakým, flotačním typům, i když stále nacházejí uplatnění v různých oblastech zemědělství. Bezdušové pneumatiky jsou dnes samozřejmostí, ovšem podle posledních informací gumaři opět přemýšlejí o zavedení dušové konstrukce s odkazem na lepší přenos hnací síly, kdy i část duše v plášti, asi 2/3 plochy, a 1/3 na ráfku pomáhá přenášet velké síly, a tak jsou bočnice a patky méně namáhané na smyk. Samozřejmě, je to záležitost individuální a každý na to může mít svůj názor, svou logiku to ovšem má.
Jak bylo v úvodu naznačeno, velké hmotnosti a výkony motorů nutně potřebují kvalitní styčné plochy pneumatiky pro přenos hnací síly na kola s nejvýhodnější tahovou účinností, která se i dnes pohybuje maximálně okolo 70–72 %. Větší hodnoty nelze dosáhnout, kde se dočtete více, nevěřte tomu, protože v další části bude popsán vztah mezi základními parametry a tak lépe pochopíte všechny souvislosti.

Typ pneumatiky x styčná plocha
 
Výzkum v oblasti vyhodnocení škodlivé kompakce půdního profilu se v posledním desetiletí zaměřil na vyhodnocení kontaktního tlaku ve styčné ploše zatížené pneumatiky v kombinaci tlak huštění – statické (nominální) katalogového zatížení.
V tomto okamžiku je důležité upozornit na přesné definování pojmu „styčná“ plocha. Tato plocha představuje celkovou plochu dezénu a prostoru mezi ostruhami (šípy), která je zabořena do půdy a podílí se na přenosu sil, zatímco styková plocha – plocha styku – představuje pouze dotykovou plochu šípů na tvrdé podložce.
Styčnou plochu lze velice spolehlivě obdržet pomocí tzv. vícenásobného otisku (autor prof. Alexandr Grečenko). Tímto způsobem lze jednoduše, ovšem velice sofistikovaně vzájemně porovnat jednotlivé typy a velikosti pneumatik i z hlediska škodlivého zhutnění půd. Diagonální pneumatiky jsou oblíbené díky své pevné konstrukci a vysoké odolnosti. Je pravda, že jsou „tvrdší“ a více přenášejí vibrace, nicméně jsou odolné vůči průrazům a disponují dobrou životností a relativně nižším valivým odporem. Jsou ovšem určeny pro lehčí stroje, tzn. max. do 6 t celkové hmotnosti, a to právě z důvodů konstrukce.
Ve vzájemném porovnání mají diagonální pneumatiky menší styčnou plochu oproti radiální konstrukci (přibližně 1/4). Pokud by se použily pro větší hmotnosti, kontaktní tlaky by se výrazně zvýšily a tahové vlastnosti se zhoršily (boření, prokluz). Oproti tomu radiální pneumatiky jsou pružné a díky velké styčné ploše dobře přenášejí tahové síly a umožňují podhuštění.
Tvar otisku diagonální pneumatiky lze spolehlivě přizpůsobit kruhové ploše (obr. 1), radiální typ už pravoúhlé (obdélník) díky své pružnosti (obr. 2).

Styčná plocha pneumatiky x napětí v půdě
 
Velikost zatížené styčné plochy pneumatiky významně ovlivňuje kompakci půdy, samozřejmě záleží významnou měrou na aktuální vlhkosti půdy, která se prostřednictvím specifického součinitele (tzv. koncentračního faktoru) podílí na průběhu rozšíření tlakového napětí v půdním prostoru. V současné době jsou pro základní výpočet stanoveny tři specifické hodnoty pro dané vlhkostní stavy (4 tuhá suchá půda – do 12 %, 5 kultivovaná půda normální vlhkosti – do 17 %, 6 kultivovaná půda velmi vlhká 18% <); viz obr. 3.
Velikost styčné plochy lze přizpůsobit změnou tlaku huštění požadovaným pracovním operacím v daných vlhkostních podmínkách, a tak snížit velikost kontaktního tlaku a napětí v půdě. Moderní radiální pneumatiky to umožňují a výrobci i doporučují. Jedná se zhruba o 1/4 až 1/3 nominálního tlaku; např. 710/70 R 42 – 160 kPa (silnice) – 110 kPa (pole). Je naprosto zřejmé, že zemědělci se tomuto přístupu mohou bránit s odúvodněním většího opotřebení a snížení životnosti i s ohledem na vysoké ceny pneumatik a raději budou používat jedno „provozní“ huštění; ovšem optimálně zvětšená styčná plocha znamená zlepšení tahových vlastností (prokluz, valivé odpory, menší spotřeba paliva).

Pneumatiky pro přívěsy a návěsy
 
Standardně jsou moderní zemědělské přívěsy a návěsy konstruovány pro rychlosti až 60 km/h a nosnosti až 30 t. Z tohoto důvodu je nezbytné přizpůsobení podvozku co nejlepší trakci, optimálnímu rozložení kontaktních tlaků na celý podvozek a závěs traktoru, a tím celkové snižení nežádoucí kompakce půdy. Konstrukce podvozků pro vysoké nosnosti používá 2 až 4 nápravy s vysoce kvalitními pneumatikami. Řiditelné nápravy (obr. 4) umožňují, aby kola jela v jedné stopě, a tím se snížilo jejich boření, zlepšily jízdní vlastnosti na silnici i snížilo celkové opotřebení pneumatik. Rovněž v tomto případě je doporučováno výrobci používat optimální huštění a několik prototypů centrální regulace tlaku huštění je již nabízeno (obr. 5); ovšem na spolehlivý a především jednoduchý způsob změny tlaku huštění řízený přímo z terminálu kabiny si budeme muset ještě počkat, stále je ještě v procesu vývoje.

Vliv pneumatik na tahové vlastnosti kolového traktoru
 
Tato kapitola by měla ve zjednodušené formě nastínit již zmíněnou poznámku týkající se tahových vlastností výkonných kolových traktorů. Autor již na toto téma absolvoval několik přednášek a v tomto článku by rád čtenáři ve velice zjednodušené formě představil několik základních vztahů pro lepší představu, jak se vlastně zemědělská technika chová při plném nasazení v provozu. Tahová účinnost je základní parametr hodnotící kvalitu přenosu výkonu motoru traktoru na tahovou sílu; obecně a pouze orientačně lze toto použít pro srovnání, jak vlastně traktor v dané výkonnostní třídě táhne, a i možné vzájemné porovnání konkurence mezi sebou. Samozřejmě, že při oficiálních tahových zkouškách se musí připočítat prokluz, valivé odpory pneumatik, odpor nářadí ad.; toto je ovšem pro daný článek a orientaci nepotřebné.
Na obrázku 6 je znázorněn příklad soupravy traktoru – radličkový kypřič. Pro daný výkon motoru traktoru udaného výrobcem, naměřenou tahovou sílu na čidlech v závěsu ramen (tyto hodnoty se získají z polních testů) a určitou pracovní rychlost lze spočítat tzv. tahový výkon a tahovou účinnost, kterou lze dále vyjádřit součinem tří dílčích (převodová, valivá a prokluzová). Obecně platí, tahová síla násobená rychlostí udává tahový výkon. Pokud tento tahový výkon vydělíme efektivním výkonem motoru, obdržíme orientační hodnotu tahové účinnosti.
Například, pro traktor o výkonu 270 k/14 t (př/z – 48/52 %), pneu 600/70 R 30 (140 kPa) – 710/70 R 42 (120 kPa), dnes standardně nejpoužívanější výkonnová třída, v kombinaci s radličkovým kypřičem s pracovním záběrem čtyři metry a průměrnou hloubkou kypření 18 cm při rychlosti 8 km/h na hlinité půdě při normální vlhkosti (14 %) se naměří průměrná tahová síla 62 kN (asi 6,3 t). Tahový výkon je potom 185 k a tahová účinnost se rovná hodnotě 68 % (185/270). Tato hodnota obsahuje i průměrný prokluz kol asi 15 %; ten v tomto případě významně závisí na vlhkosti půdy, celkové hmotnosti traktoru a dále na typu, velikosti a tlaku huštění použitých pneumatik. Menší pneumatiky totiž nemají potřebnou dosedací styčnou plochu, a tak nepřenesou požadovanou tahovou sílu. Pokud se u nich použije podhuštění na polní práce, může docházet k extrémnímu namáhání bočnic a patek, které způsobí jejich poškození. Velké pneumatiky zase budou klást velký odpor valení na úkor snížení tahové síly. Výrobci uvádějí v katalozích, jaké typy lze výhodně zaměnit a nahradit, zamědělci by měli rovněž posoudit, jaké pneumatiky jsou nejvhodnější pro jejich půdní podmínky. V praxi se to často opomíjí a raději se používají levnější náhrady i nižších velikostí, než kvalitní a velikostně vhodné pneumatiky.

Závěr
 
V tomto stručném přehledu jsem se snažil představit vlastnosti zemědělských pneumatik a možnosti jejich využití v praxi z pohledu terramechaniky (mechanika vztahu vozidlo – terén). Nebyla zde věnována pozornost detailnímu rozboru konstrukce pneumatiky, ani rozboru vlastností dezénu, jako je samočisticí schopnost, velikost a tvar dezénu, výška šípů atd. Na toto téma jsou vydány podrobnější práce.
Samozřejmě, jednotlivé části jsou podány velice stručně a zasloužily by větší rozbor a detailnější popisy, nicméně i v této podobě by mohly běžnému čtenáři poodhalit některé vztahy a principy hodnocení pojezdového ústrojí zemědělských strojů.

 

Klíčové informace

– Konstrukce pneumatik se bude i nadále zdokonalovat a přizpůsobovat požadavkům moderních strojů. Týká se to především použití pro vysoké nosnosti, ale i rychlosti a zároveň i požadavku být co nejšetrnější k půdě.
– Centrální řízení tlaku huštění se zanedlouho stane nezbytnou výbavou stejně jako dnes GPS navigace.
– Důležité je, že i samotní výrobci i prodejci zemědělské techniky se snaží co nejvíce vycházet vstříc zemědělcům a doporučují na základě svých testování nejvhodnější kombinace pneumatik pro dané výkonové třídy a konkrétní soupravy
.

Ing. Patrik Prikner, Ph.D.
Česká zemědělská univerzita v Praze
Technická fakulta
katedra vozidel a pozemní dopravy
Institut tropů a subtropů
katedra udržitelných technologií

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *