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An einem der Zinken wie auch an der Schnittstelle zwischen Gerät und Traktor registrieren Sensoren alle auftretenden Kräfte und Momente. Die Stützräder sitzen weit außen, damit die Grubberwirkung gut zu sehen ist. Fotos: Carmen Rudolph

Wissenschaftler und Konstrukteure tüfteln an Systemen, die eine hohe Qualität der Bodenbearbeitung mit geringerem Energieeinsatz ermöglichen. Der Spritverbrauch lässt sich aber schon jetzt bei der praktischen Feldarbeit beeinflussen.

Heutzutage ist ein Gespann bei der Bodenbearbeitung mittlerweile doppelt so schnell unterwegs wie vor 50 Jahren. Das verkürzt den Arbeitsgang in einem oft ohnehin knapp bemessenen Zeitfenster. Doch die Sache hat einen klimapolitischen und auch finanziellen Pferdefuß. Die Kraft, die der Schlepper heute aufbringen muss, um das Gerät durch den Boden zu ziehen, hat sich nämlich nicht – wie bei gleicher Gerätebreite zu vermuten wäre – ebenfalls verdoppelt. Sie hat sich verdreifacht. Obwohl der Spritbedarf unter anderem durch einen besseren Wirkungsgrad der Motoren nicht ebenfalls um diesen Faktor anstieg, erhöhte sich doch in den vergangenen Jahrzehnten der Kraftstoffverbrauch wesentlich schneller als die Flächenleistung. Am energieintensivsten ist dabei die Bodenlockerung. Schließlich müssen pro Zentimeter Bearbeitungstiefe und Hektar etwa 100 m³ Boden bewegt werden, also gut 150 t.

„Die Gesetze der Physik lassen sich eben nicht überlisten“, sagt André Grosa. Er und seine Kollegen im Bereich Agrarsystemtechnik an der Technischen Universität Dresden forschen an der Senkung des Energieaufwandes bei der Bodenbearbeitung. Dabei konzentrieren sie sich gegenwärtig auf den Grubber und die Scheibenegge. André Grosa zeigt in einer Grafik mit steil ansteigender Kurve auf zwei hervorgehobene Punkte. Die Darstellung visualisiert Zugkraftmessungen mit einem starren Grubber auf mittelschwerem Lößlehmboden. „Bei 8 km/h“, so der Wissenschaftler, „hatte der Traktor einen Zugkraftbedarf von knapp 27 kN, und würde man auf 16 km/h erhöhen, ergäbe das nach empirischen Berechnungen 80 kN. Umgerechnet auf die Zugleistungen sind das mehr als 300 kW.“ 

Der progressive Leistungsverbrauch spiegelt sich auch in der Berechnungsformel für den Zugkraftbedarf wider. Hier gehen neben Arbeitsbreite, Arbeitstiefe und spezifischem Bodenwiderstand mit der wichtigen Konstante „dynamischer Zug“ auch die Werkzeugform und die Werkzeuggeschwindigkeit ein. Diese Konstante ist für den Grubber etwa im Gegensatz zum terradynamischen, besser geformten Pflug jedoch ohnehin besonders schlecht und wird mit wachsender Geschwindigkeit progressiv schlechter. 

Doch obwohl der Grubber in der Pflanzenbaupraxis eine steile Karriere machte, schien es zunächst nicht so bedeutsam, die für Arbeitsgeschwindigkeiten von 6 bis 8 km/h entwickelte Form der Grubberschare energetisch zu optimieren. Denn gleichzeitig verbesserte sich das Leistungsgewicht der Zugmaschinen erheblich. Das heißt: Ein moderner Traktor ist heute zwar achtmal schwerer als ein Schlepper aus den 1950er Jahren, hat aber 16-mal mehr Zugkraft. 

Arbeitsbreite versus Tempo

Anschaulich wird der Energieverbrauch, wenn bei schneller Grubberfahrt der Boden über 1 m in die Luft geschleudert wird. „Die Dynamik, die Sie da in den Boden einbringen, müssen Sie vorher als Diesel in den Traktor reinfüllen“, verdeutlicht André Grosa den Zusammenhang zwischen Tank und Tempo. Hinzu kommt ein höheres Gewicht. Denn bei der schnellen Fahrt über den Acker entstehen enorme Stoßbelastungen, die stabile Tragrahmen erfordern. In der Folge erhöhte sich das Maschinengewicht seit 1960 jährlich um 5 bis 10 kg/m Arbeitsbreite. Allein dadurch entstand nach Berechnungen der Dresdner Wissenschaftler ein Dieselmehrverbrauch mit dem Faktor 1,5. Der Anstieg hätte allerdings noch ungünstiger ausfallen können. Den Entwicklern im Landmaschinenbau gelang es durch raffinierte Konstruktionen und den Einsatz moderner Materialien, die Festigkeit der Grubberrahmen in den vergangenen fünf Jahrzehnten um das Acht-fache zu verbessern. Demgegenüber erhöhte sich das Gewicht nur um das 2,3-Fache.

Insgesamt können aber auch die klügsten Wissenschaftler und Ingenieure die Naturgesetze nicht außer Kraft setzen. Die Geschwindigkeit ist und bleibt der größte Spritfresser. Fakt ist: Verdoppelt man die Arbeitsbreite statt der Arbeitsgeschwindigkeit, bringt das bei gleicher Flächenleistung eine Dieseleinsparung von 30 %. 

„Für eine vollständige Bewertung reicht es allerdings nicht, den Kraftstoffverbrauch nur allein auf die Fläche zu beziehen“, meint Dr. Gerhard Moitzi vom Institut für Landtechnik an der Universität für Bodenkultur Wien (Boku). Zu berücksichtigen sei ebenso der angestrebte Lockerungsgrad und damit die Arbeitstiefe. Hier kamen die österreichischen Wissenschaftler bei Untersuchungen zum flächen- sowie bodenmassebezogenen Energieaufwand zu interessanten Ergebnissen: Eine Verringerung der Bearbeitungstiefe von 30 auf 20 cm reduzierte bei Testfahrten mit dem Pflug zwar den Dieselaufwand von 17,5 auf 13,2 l/ha. Aber dafür stieg der bodenmassebezogene Energieaufwand von 480 auf 544 Wh/t an. Das heißt: Bezogen auf die Arbeitsintensität schnitt die flachere Bearbeitung energetisch schlechter ab. Beim Grubber dürfte dies wegen der ungünstigen Werkzeugform noch deutlicher ausfallen. Entsprechende Forschungen laufen gegenwärtig an der Wiener Forschungseinrichtung.

Neue Federzinken für effiziente Grubber

Einen anderen Ansatz verfolgt ein kürzlich gestartetes Forschungsvorhaben der Lehrstühle Agrarsystemtechnik und Werkstofftechnik an der TU Dresden in Kooperation mit dem landwirtschaftlichen Maschinenausrüster Lamator. Im Mittelpunkt steht hier die Entwicklung einer neuen Generation von Federzinken für Grubber und Kultureggen. Dabei haben die Kooperationspartner zwei Ziele im Blick. Zum einen geht es darum, das mögliche Einsatzspektrum für Federzinken zu erweitern. So müssen Zinkengeräte für den Einsatz in der konservierenden, nichtwendenden Bodenbearbeitung für den Durchgang des Bodens mehr Freiraum bieten als konventionelle Geräte. So wird eine Verstopfung des Grubbers durch Pflanzenreste verhindert. „Dafür benötigen die Hersteller längere Zinken, die sich, trotz des damit verbundenen höheren Biegemoments im oberen Bereich, nicht verformen dürfen oder gar brechen“, erläutert Dr. Friedrich Herberg, Geschäftsführer der in Torgau (Sachsen) ansässigen Lamator GmbH. Außerdem wolle man Federzinken auch für schwere Arbeiten, die bisher den starren Grubberzinken vorbehalten sind, einsetzen. Beide Einsatzoptionen erfordern einen größeren Zinkenquerschnitt.

Die weiterentwickelten Federzinken sollen aber nicht nur den Beanspruchungen in den neuen Einsatzfeldern gewachsen sein, sondern auch durch ihr geringes Gewicht und die gegenüber starren Zinken bessere Aufnahme von Laststößen eine insgesamt leichtere Bauweise des Grubbers begünstigen.

Dazu starteten im vergangenen Jahr Grubberversuche. „Bei den Testfahrten mit verschiedenen Geschwindigkeiten messen wir die dynamischen Beanspruchungen eines einzelnen Zinken wie auch die Kräfte und Momente, die zwischen Geräterahmen und Traktor wirken“, informiert André Grosa. Während sich der Landmaschinenexperte Notizen macht, zieht sein Kollege Bruno von der Planitz Runde um Runde mit dem Gespann aus Traktor und dem in der Werkstatt der TU Dresden gebauten Messgrubber. Aller paar Sekunden verkündet ein schabendes Geräusch, dass einem Zinken ein größerer Stein im Wege lag. „Genau deshalb haben wir diesen extremen Acker mit Verwitterungsboden und hohem Steinbesatz ausgewählt. Die Messwerte, wenn der Zinken zur Seite oder nach hinten gedrückt wird und dann wieder nach vorne schnellt, sind für uns natürlich besonders interessant“, erklärt der Wissenschaftler. „Bei der Bodenbearbeitung“, ergänzt Bruno von der Planitz, „geht es letztlich um hohe Flächenleistung  in guter Qualität mit vertretbarem Energieaufwand. Da man Gesetzmäßigkeiten nicht aushebeln kann, ist unser Ansatz, den Kraftbedarf des Einzelwerkzeuges zu senken, ohne dabei Abstriche an der Wirkung zu machen.“

Bis dahin ist noch einige Forschungsarbeit zu leisten. Das ist allen Projektbeteiligten bewusst. Doch die Richtung ist klar: Leichtere Federzinken mit optimaler Kraftaufnahme sind die Voraussetzung für leichtere Tragrahmen. Die dürfen dann auch breiter sein. Und mehr Arbeitsbreite ist nun mal der energieeffizienteste Weg zu höherer Flächenleistung.

Schrägzug durch fehlerhafte Werkzeuge

Landwirte können den Energieverbrauch jedoch schon jetzt bei der praktischen Feldarbeit beeinflussen. Das beginnt mit der richtigen Anordnung der Werkzeuge. „Beim Grubber lohnt es sich, das Wirken der Zinken in den verschiedenen Bodenzonen einmal näher anzuschauen“, empfiehlt André Grosa. Er erläutert dies am Beispiel des dreireihigen Versuchsgrubbers der TU Dresden: Die erste Zinkenreihe greift in den ungelockerten Acker, die zweite Reihe erfasst zum Teil einseitig vorgelockerten und die dritte Reihe zweiseitig vorgelockerten Boden. Entsprechend wirken die Kräfte. Ist das Gleichgewicht durch fehlangeordnete Werkzeuge, gebrochene Zinken oder verschlissene Schare, die dann vielleicht zum Teil durch schmalere ersetzt wurden, gestört, entsteht ein Seitenzug. Die Folge: ständiges Gegenlenken, mangelhafte Bodenbearbeitung und letztlich höherer Spritverbrauch. Ähnliches gelte für die Scheibenegge. Der schlimmste Fall sei hier, wenn die letzte Scheibenreihe genau hinter der ersten läuft. „In unseren Versuchen kam da eine aufgesattelte Scheibenegge schon mal einen  0,5  m aus der Spur“, berichtet der Wissenschaftler. Bei angebauten Geräten würden diese auftretenden Querkräfte über den Heckkraftheber in den Traktor eingetragen und für erhebliche Zusatzbelastungen sorgen. Einige Hersteller bieten daher die Möglichkeit, durch eine Feinregulierung den Versatz der Scheibenreihen gegeneinander zu justieren. 

Eine weitere Stellschraube für Energieeffizienz ist die Einhaltung der exakten Arbeitstiefe über die gesamte Maschinenbreite, wie sie für eine flache, ganzflächige Bodenbearbeitung notwendig ist. Bei Geräten mit starren Werkzeugen erweist sich das mit zunehmender Einsatzdauer als ein generelles Problem. Während die mittleren Zinken bei älteren Grubbern durch die Auflast noch in der vorgesehenen Tiefe wirken, halten die äußeren Werkzeuge diese Vorgabe nicht mehr ein. Bei klappbaren Geräten wirken hier allzu große Gelenkspiele zusätzlich negativ. Erscheint dem Landwirt die Durchmischung über die gesamte Arbeitsbreite zu gering, wird dann der Grubber insgesamt nachgestellt, sodass die mittleren Zinken nun eigentlich zu tief laufen und unnötig Zugkraft beanspruchen. „Konstruktiv lässt sich dem durch separate Stützräder für die einzelnen Werkzeugsektionen entgegenwirken“, benennt Grosa einen Lösungsweg aus Sicht des Maschinenbauers.

Die Motorleistung muss passen

Günstig für die Energieeffizienz ist zudem ein abgestimmtes Verhältnis von Gerät und Zugvermögen des Schleppers. Muss dieser ständig in seinem oberen Leistungsbereich schuften, wird er zum Spritsäufer. Das Gleiche gilt bei einem für den Arbeitsgang überdimensionierten Maschineneinsatz. In beiden Fällen arbeitet der Schlepperantrieb nicht in seinem spezifischen Motorbetriebspunkt und daher mit einem schlechteren Wirkungsgrad. Der verbrauchsoptimale Betrieb eines Motors liegt nach Untersuchungen der Boku bei zirka 70 % der Nenndrehzahl und Nennleistung. Ein für jeden sichtbarer Indikator ist hier die sogenannte Rauchgrenze des Traktors. Ist das Abgas schwarz gefärbt, so deutet dies auf eine unvollständige Verbrennung und damit einen zu hohen Treibstoffverbrauch hin. 

Da die passende Zugmaschine in der Praxis nicht immer zu Verfügung steht, bieten Hersteller für das tiefe Bearbeiten in schweren Böden Geräte an, bei denen sich der Strichabstand durch Hochziehen jedes zweiten Zinkens verdoppeln lässt. Auf dem Markt sind ebenfalls Grubber, die auch mit eingeklappten Seitenteilen arbeiten.  So kann  bei schwierigen Bedingungen der Zugwiderstand an die Traktorleistung angepasst werden. 

Einfluss auf eine ganzflächig gleichmäßige Bodenbearbeitung hat zudem die Standzeit der Werkzeuggeometrie. Dass Schare heute wesentlich schneller verschleißen, gehört ebenfalls zu den Nebenwirkungen der Schnellfahrten auf dem Acker. Diese Abnutzung erfolgt nicht gleichmäßig, sondern je nach der Position der Zinken im Tragegestell und somit der unterschiedlichen Beanspruchung der Schare. Die Beibehaltung der Schargeometrie, insbesondere der ohnehin steilen Schnittwinkel bei der Mulchschar hat jedoch nicht nur Auswirkungen auf das Arbeitsbild, sondern darüber hinaus auf den Zugkraftbedarf, letztlich also den Kraftstoffverbrauch. Durch eine Bestückung mit Hartmetallauflagen ist es inzwischen möglich, die Standzeit der Werkzeuge bedeutend zu verlängern. „Bei der Entwicklung solcher Hartmetallschare gelangen uns in den vergangenen Jahren die entscheidenden technologischen Durchbrüche“, sagt Florian Smeets, Produktmanager Agrartechnik beim Hartmetallspezialisten Betek. 

Wolfgang Rudolph

freier Journalist

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