Znaczący postęp w konstrukcji opon rolniczych

W ostatnich dekadach w konstrukcji opon rolniczych osiągnięto istotny postęp. Z prostych „okrągłych, czarnych gum z dziurą pośrodku” rozwinęły się one w zaawansowane technologicznie opony o dużym potencjale do obniżania ciśnienia wewnętrznego. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie dużej powierzchni kontaktu z podłożem, co przekłada się na wysokie siły uciągu i niskie naciski na glebę podczas pracy w polu, przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości jezdnych oraz niskiego zużycia podczas jazdy po drogach.

Wysokie obciążenia osi mają szczególnie negatywny wpływ na warstwę podglebia. Środki mające na celu zwiększenie powierzchni kontaktu oddziałują przede wszystkim na naciski w warstwie wierzchniej gleby.

Podstawą tych osiągnięć jest technologia radialna, w której wewnętrzne warstwy tkaniny biegną poprzecznie do kierunku jazdy, od jednej stopki do drugiej. W warstwie bieżnika znajdują się dodatkowe warstwy z ułożeniem diagonalnym. Taka konstrukcja skutkuje elastycznymi bokami i większym ugięciem przy niskich ciśnieniach wewnętrznych, dzięki czemu zwiększa się długość i szerokość powierzchni kontaktu opony z podłożem. Jednocześnie diagonalne warstwy w bieżniku zapewniają oponie sztywność i chronią ją przed uszkodzeniami na nierównych nawierzchniach. Ze względu na te właściwości opony radialne dawniej określano mianem opon pasowych.

Zróżnicowanie serii opon i znaczenie ich przekrojów

W przeszłości typowe opony ciągnikowe charakteryzowały się stosunkiem wysokości bocznej do szerokości wynoszącym 0,85, dlatego opony o profilu 85 uznawane są za standardowe. Od lat 90. ub. wieku producenci zaczęli oferować coraz więcej opon o niższym stosunku przekroju (wysokości ściany bocznej do szerokości). Przykładem takiej serii była „XM108” firmy Michelin z profilem 65. Opony te klasyfikowane były jako szerokie, niskociśnieniowe lub o niskim profilu. Ich zaletą jest większa szerokość i objętość powietrza przy zachowaniu tego samego zewnętrznego wymiaru, co umożliwia zwiększenie nośności przy określonym ciśnieniu wewnętrznym. W praktyce pozwala to na osiągnięcie wymaganej nośności przy niższym ciśnieniu, co zwiększa powierzchnię kontaktu opony z podłożem podczas pracy w polu.
Obecnie producenci opon tego typu oferują szeroką gamę przekrojów. Typowa klasyfikacja obejmuje: standardowe opony – przekroje 85, 80, 75; szerokie opony – przekroje 70, 65, 60;
opony pielęgnacyjne – wysokie przekroje 90, 95, 105; super szerokie opony – przekroje 55, 50, 45, stosowane również w maszynach żniwnych i przyczepach.

Trójkątny układ gąsienicowy o symetrycznej geometrii: dzięki równym długościom ramion momenty obrotowe w kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara są w przybliżeniu jednakowe, a tendencja układu gąsienicowego do unoszenia się jest niewielka.

Technologie „IF” i „VF” – zwiększona elastyczność i nośność

W ciągu ostatnich 20 lat rozwój opon radialnych objął nie tylko różnorodność modeli, lecz także nowe formy bieżnika oraz bardziej elastyczne ścianki boczne. W tym kontekście wyróżniają się technologie IF (Improved Flexion) i VF (Very High Flexion). Tkaniny w ściankach bocznych opon klasy premium zbudowane są w taki sposób, że pozwalają na jeszcze większe ugięcie bez ryzyka uszkodzenia. Dzięki temu opony VF oferują do 40% większą nośność przy tym samym ciśnieniu wewnętrznym lub do 40% niższe ciśnienie wewnętrzne przy tej samej nośności. Opony IF umożliwiają osiągnięcie wartości o ok. 20% wyższych niż w przypadku klasycznych opon radialnych.

W większości przypadków opony VF wymagają szerszych felg z odpowiednio skonstruowanymi rantami. Ich zastosowanie jest szczególnie korzystne przy częstym przejeździe między drogą a polem, np. podczas nawożenia gnojowicą, gdzie optymalne ciśnienie kompromisowe wynosi ok. 1 bara. Choć możliwe jest poruszanie się z takim ciśnieniem po drogach, z punktu widzenia trakcji, zużycia opon i oporu toczenia bardziej wskazane są wyższe wartości. W terenie natomiast obniżenie ciśnienia poniżej 1 bara daje niemal wyłącznie korzyści: większą siłę uciągu, mniejszy poślizg, niższy opór toczenia i mniejsze obciążenie gleby.

Skuteczna, choć wymagająca regulacja ciśnienia

Systemy regulacji ciśnienia w oponach to najefektywniejsze rozwiązanie umożliwiające pełne wykorzystanie potencjału nowoczesnych opon. Ich montaż w ciągnikach wiąże się jednak ze znacznymi kosztami, a zwiększanie ciśnienia za pomocą typowych kompresorów od układów hamulcowych pneumatycznych jest czasochłonne. W praktyce wysokie obciążenia osiowe występują jednak często również w przyczepach, dlatego również i tam miałyby istotne zastosowanie. Aby jednak zapewnić efektywną zmianę ciśnienia przy częstym przechodzeniu między drogą a polem, konieczne są dodatkowe kompresory na ciągniku lub przyczepie.

Wpływ obciążeń osiowych na glebę – kontakt powierzchniowy i zagęszczenie gleby

W dyskusjach dotyczących nacisku na glebę i jej ochrony uwaga często skupia się na średnim nacisku powierzchniowym. Jest to jednak tylko połowa obrazu – drugą, równie istotną, stanowi oddziaływanie w głąb gleby, wywoływane przez wysokie obciążenia osiowe. Mogą one prowadzić do zagęszczeń w warstwach podglebia, które w krótkim i średnim okresie są bardzo trudne do usunięcia, a często wręcz niemożliwe – wymagają znacznych nakładów energetycznych.

Model kulkowy – im większa obciążona powierzchnia kontaktu przy określonym nacisku jednostkowym, tym silniejsze oddziaływanie w głąb.

Wizualizacja oddziaływań w glebie

Zależność między naciskiem opony a głębokością oddziaływania przedstawia tzw. model kulkowy. Choć jest to model dwuwymiarowy i znacznie uproszczony, w sposób przejrzysty ilustruje mechanizm przekazywania obciążeń. Kulki symbolizują cząsteczki gleby, które przekazują obciążenie dalej – każda w połowie do sąsiednich.
W pierwszym przykładzie siła 1 działa na powierzchnię 1, co skutkuje naciskiem powierzchniowym równym 1 (p = F/A). W piątej warstwie gleby nacisk ten spada do wartości 3/8. W drugim przykładzie zarówno siła, jak i powierzchnia kontaktu są dwukrotnie, a w trzecim - trzykrotnie większe. W obu przypadkach nacisk kontaktowy nadal wynosi 1, jednak w piątej warstwie gleby utrzymuje się nacisk 7/8. Wniosek: im więcej cząstek gleby jest obciążonych na powierzchni, tym silniejszy jest wpływ nacisku w głąb. Aby przy rosnących obciążeniach osiowych nie doprowadzić do nadmiernego zagęszczenia, powierzchnie kontaktu muszą zostać powiększone w sposób ponad proporcjonalny – co pozwoli także na redukcję nacisku jednostkowego. W praktyce osiągalne jest to najczęściej poprzez zastosowanie bliźniaczych opon lub gąsienic.

Złożoność rozkładu nacisków

Średni nacisk kontaktowy to także uproszczona wartość obliczeniowa, nieoddająca realnych warunków nacisku w różnych miejscach powierzchni styku. Szczytowe naciski pod oponami mogą być ponad dwukrotnie wyższe od wartości średnich. Przy niskim ciśnieniu wewnętrznym występują one zazwyczaj na zewnętrznych krawędziach bieżnika (bokach), a przy wysokim – pod jego centralną częścią. Jeszcze bardziej zróżnicowany rozkład nacisku dotyczy gąsienic, co jest zależne od wielu czynników konstrukcyjnych.

Gąsienice – konstrukcja i wpływ na rozkład nacisku

W zależności od budowy, systemy gąsienicowe różnią się istotnie w sposobie przenoszenia siły napędowej oraz rozkładzie nacisku. Trójkątne układy gąsienicowe o symetrycznej geometrii (np. z równymi długościami ramion) napędzane są zazwyczaj mechanicznie, podczas gdy układy z płaskim prowadzeniem, takie jak np. „Terratrac” firmy Claas, działają na zasadzie tarcia.
Od typu napędu zależy napięcie pasa, a co za tym idzie – zdolność nośna całej konstrukcji. Przy napędzie ciernym jest ona z reguły większa. Znaczenie ma także pionowe rozmieszczenie rolek pośrednich oraz szerokość ich rozstawu. Im bardziej płasko gąsienica przylega do podłoża i im szerszy rozkład punktów podparcia, tym bardziej równomiernie rozkłada się obciążenie na powierzchni kontaktu.
Zachowanie gąsienic w ruchu ma również wpływ na nacisk – szczególnie przy pracy z obciążeniem uciągowym. W zależności od konstrukcji, systemy półgąsienicowe mogą mieć tendencję do unoszenia przodu, co powoduje powstawanie szczytowych nacisków w tylnej części układu. Problemem mogą być także nieoptymalnie zbalansowane pełnogąsienicowe ciągniki, które w całości mają tendencję do unoszenia się, co zwiększa nacisk na tylną część konstrukcji.

Roger Stirnimann
Wyższa Szkoła Nauk Rolniczych, Leśnych i Żywnościowych (HAFL) w Zollikofen (Szwajcaria)
opracował Grzegorz Antosik

Polecamy produkty z naszego sklepu: