POLTTOAINEEN KULUTUS PELTOTÖISSÄ

Transkriptio

1 POLTTOAINEEN KULUTUS PELTOTÖISSÄ AHOKAS J. (toim.) 26 MAATALOUSTIETEIDEN LAITOS JULKAISUJA HELSINGIN YLIOPISTO MAATALOUS-METSÄTIETEELLINEN TIEDEKUNTA

2

3 Yhteistyössä HELSINKI 2013 ISSN X (Online) ISBN (Online)

4 3 Johdanto Helsingin yliopiston Maataloustieteiden laitos - Agroteknologia, Seinäjoen ammattikorkeakoulun maa- ja metsätalouden yksikkö ja Jyväskylän ammattikorkeakoulun teknologiayksikkö ovat saaneet Maaseudun energiaakatemia -nimiselle hankkeelle rahoituksen EU:n maaseuturahastosta. Hankkeen tutkimuskohteita ovat: maatalouden energian käyttö, energiatehokkuuden parantaminen sekä uusiutuvien energioiden käyttöönotto. Hanke on tuottanut kattavan maatalouden energiainformaatioaineiston ja tämä raportti on yksi hankkeen raporteista. Raportit on saatavissa pdf-muotoisina sivustolta. Suomen maatalouden energian kulutus on 10 TWh luokkaa ja se vastaa liki kolmea prosenttia koko maan energian kulutuksesta. Maatalouden energian säästö ei siten vaikuta paljoakaan koko maan energian kulutukseen. Tämä maatalouden kulutus on suoraa energian kulutusta, tämän lisäksi tulee epäsuora energian kulutus. Suora energia ostetaan tilalle suoraan, esimerkiksi polttoaineina tai sähkönä. Epäsuoralla energialla tarkoitetaan energiaa, joka on käytetty esimerkiksi koneiden ja lannoitteiden valmistuksessa. Esimerkiksi peltokasvituotannossa lannoitteiden valmistus kuluttaa eniten energiaa. Tilastoissa tämä on teollisuuden energian kulutusta. Maatalouden menoista energian osuus on ollut jatkuvasti kasvussa ja oletettavaa on, että sen osuus kasvaa tulevaisuudessakin. Maataloustuotannossa käytetään yhä enemmän koneita ja laitteita, joten energian kulutus kasvaa ja toisaalta fossiilisen energian hinta on jatkuvasti kallistunut. Yksittäinen viljelijä voi säästää energiaa helposti kymmeniä prosentteja ja tällä on jo taloudellista merkitystä tilalle. Ennen kuin energiansäästötoimenpiteitä voidaan arvioida, pitää tietää nykyinen kulutus ja pitää tietää normaali kulutus. Tämä tarkoittaa energian käytön seurantaa ja vertailua muihin vastaavanlaisiin tuotantoihin. Lisäksi seurantatietoa pitää olla usealta vuodelta, koska vuotuiset vaihtelut maataloustuotannossa ovat suuria. Osa säästöistä on helppo ja halpa toteuttaa, tarvitaan vain tietoa miten työ voidaan tehdä energiatehokkaasti. Oikeat traktorin ja työkoneiden käyttötavat ja koneiden ja laitteiden kunnossapidot ja huollot voivat säästää reilusti energiaa. Polttoaineen kulutus peltotöissä oppaassa tarkastellaan peltotöiden tekemistä ja koneiden ja laitteiden energiatehokasta käyttöä. Oppaassa selostetaan myös asiaan liittyvät teoreettiset perusteet. Niiden tunteminen auttaa asian ymmärtämisessä ja sen avulla voi myös päätellä paremmin eri tekijöiden vaikutusta. Kasvintuotantoon liittyy myös sadon säilyttäminen ja kuivaaminen. Kuivaus voi kuluttaa energiaa huonona vuotena yhtä paljon kuin peltotyöt yhteensä. Kuivaamisen energian kulutusta on tarkasteltu omassa oppaassaan, joka on saatavissa pdf-muotoisina sivustolta.

5 Sisältö 1 Polttoaineen kulutus peltotöissä 6 2 Traktorit Traktorimoottorit Dieselmoottorin polttoainetalous Moottorin päästöt Polttoaineet Moottorin kuormittuminen Traktorin voimansiirto Ajovoimansiirto Voimanottoakselikäyttö Hydrauliikan tehotarve Traktorin vetovoima ja vetoteho Traktorin vetovoima Traktorin vetohyötysuhde Vetoteho ja moottoriteho Traktorin paino ja lisäpainot Työkoneet Teoreettinen työsaavutus Käytännön työsaavutus Työkoneen vetovastus ja vetoteho Yleinen vetovastuksen yhtälö Vetovastus profiilin alaa kohti Vetovastus työleveyttä kohti Työkoneen vetotehon tarve Hinattavat ja nostolaitekiinnitteiset työkoneet Voimanottoakselikäyttöiset työkoneet Työkoneen koon valinta ja tehokas traktorin käyttö Vetovoiman tarve Moottoritehon tarve ja polttoainetalous Lisäpainot Työkoneen käytön laskentaohjelma Traktorin polttoainetalouden testaus Traktorin ja työkoneen energian tarve Työsyvyys Ajonopeus Terien ja vantaiden vaikutus maanmuokkauksessa Työkoneiden varustus Maalaji ja maan kosteus Työkoneiden säädön vaikutus Työkoneen kunnon vaikutus Renkaiden vaikutus Polttoaineen kulutus kuljetuksissa ja siirtymissä Yleistä Polttoaineen laskennallinen kulutus Mitattuja polttoaineen kulutuksia Kuorman vesipitoisuuden vaikutus kuljetuksissa Yhteenvetoa kulutuksista

6 SISÄLTÖ Tuotannonsuunnittelun vaikutus Tuotannon suunnittelu Ajallisuuskustannus Konekapasiteetin valinta Koneketjut ja vaihtoehtoiset tuotantotavat Urakointi Kuljettajan vaikutus polttoaineen kulutukseen Muokkaus ja kylvö Traktori ja työkone Muokkaus, maan kovuus ja polttoaineenkulutus Kyntö Kyntösyvyys Auran säädöt Kyntönopeus Traktorin ja auran koko Kyntöolosuhteet Aurojen kunto Auran leveys Maan rakenne Kultivaattori ja lautasäes Kultivaattori Lautasäes S-piikkiäes Kylvölannoittimet Muokkaus- ja kylvöketjun energian kulutus Nurmikasvien viljely Nurmikasvien käyttö ja korjuu Traktori ja työkone nurmikasvien sadonkorjuussa Niitto ja niittomurskaus Sormipalkkiniittokone Lautasniittokone ja lautasniittomurskain Pöyhintä Karhotus Säilörehun korjuu tarkkuussilppurilla Säilörehun korjuu pyöröpaalaimella Säilörehun korjuu noukinvaunulla Sadon kuljetus Nurmen korjuuketjun kulutus Leikkuupuimurin polttoaineen kulutus Puimurin tehon käyttö Puimurin moottori Puimurin tehontarve Puimurin kulkuvastus ja kulkuteho Puimurin siirtoajot Puimurin rengaskoon vaikutus vierimisvastukseen Puimurin rengaspaineen vaikutus Puimurin ajovoimansiirto Puintiteho Olkisilppuri Viljan kosteuden vaikutus puintiin Polttoaineen kulutus ja säästö puinnissa

7 Luku 1 Polttoaineen kulutus peltotöissä Jukka Ahokas Helsingin yliopisto Kuvassa 1.1 on kaaviokuva energian kulutuksesta kasvintuotannossa. Suurin energian kuluttaja on lannoitteiden valmistus. Tämä luetaan epäsuoraan energian käyttöön, koska kulutus tapahtuu tilan ulkopuolella. Tässä kirjasessa keskitytään pellolla tapahtuvaan työn tekoon ja sen tarvitsemaan energiaan. Tämä tarkoittaa kaavion työkone ja tilanhoito-osuuksia. Viljelijä vaikuttaa päätöksillään miten hän järjestää tuotannon, missä kunnossa pellot ovat minkälaisia koneita hän käyttää. Työkoneiden ja traktoreiden energiatehokkuudessa on eroja, mutta yleensä suuremmat erot tulevat siitä, miten työkoneita käytetään. Traktori- ja työkoneautomatiikka on lisääntynyt ja esimerkiksi traktorin automatiikka pystyy nykyisin valitsemaan vaihdevälityksen siten, että moottori toimii energiatehokkaalla tavalla. Kuva 1.1: Kaaviokuva energian kulutuksesta kasvintuotannossa Kuvassa 1.2 on esimerkki energiakustannusten jakautumisesta ohran tuotannossa. Kemikaalien osuus kokonaiskulutuksesta on liki puolet. Kyntö, puinti ja kuivaus ovat kuluttaneet saman verran energiaa (11%) koko- 6

8 LUKU 1. POLTTOAINEEN KULUTUS PELTOTÖISSÄ 7 naiskulutuksesta. Tässä oppaassa keskitytään peltotöiden energiankulutukseen, joka on kolmannes kokonaiskulutuksesta ja jos katsotaan pelkästää suoraa energian kulutusta (tilalle ostettua energiaa), sen osuus on siitä kaksi kolmasosaa. Epäsuoran energian kulutuksen säästöjä käsitellään erillisessä oppaassa. Samoin kuivauksesta on tehty erillinen opas. Kuva 1.2: Esimerkki energiankulutuksen jakaumasta ohran viljelyssä. Kokonaiskulutus on 3900 kwh/ha.

9 Luku 2 Traktorit Jukka Ahokas ja Tapani Jokiniemi Helsingin yliopisto 2.1 Traktorimoottorit Aivan pienimpiä, lähinnä yksiakselisia puutarhatraktoreita lukuunottamatta traktoreiden moottorit ovat suoraruiskutusdieselmoottoreita. Traktorikäytössä näiltä moottoreilta halutaan toisenlaisia ominaisuuksia kuin esim. ajoneuvokäytössä. Haluttuihin ominaisuksiin vaikuttaa traktorityyppi ja etenkin voimansiirtotyyppi. Mekaanisessa voimansiirrossa moottorilta vaaditaan hyvää sitkeyttä. Hydrostaattisessa tai hydrodynaamisessa voimansiirrossa sitkeydellä ei ole vastaavaa merkitystä, koska voimansiirto kompensoi mahdollisen sitkeyden puutteen. Myös työn luonne vaikuttaa moottorin ominaisuuksiin. Traktorikäytölle on ominaista hyvän sitkeyden vaatimus, koska raskaan työn aikana (kyntö, äestys) vaihteen vaihtaminen vauhdissa ei ole mahdollista. Moottorin vääntömomentti ratkaisee millä nopeudella mikin työ voidaan tehdä. Vääntömomentin täytyy olla yhtä suuri kuin kaikki vastukset yhteensä. Jos moottori ei pysty tuottamaan tarvittavaa momenttia, se joko sammuu tai sitten vaihteiston avulla on vaihdettava välitystä siten, että moottorilta tarvittava momentti pienenee. Maatalouskäytössä vetovastus on usein suuri ja ajonopeus alhainen. Jos maalaji muuttuu kovemmaksi tai traktori nousee rinnettä, vastusvoimat lisääntyvät. Ajovaihdetta ei voida vaihtaa, koska vedon katkaiseminen kytkintä käyttämällä pysäyttää traktorin heti ja huonontaa nopeasti työsaavutusta. Pellolla sama tilanne toistuu, jolloin jatkuva vaihteen vaihtaminen olisi rasittavaa. Moottorin ominaisuuksien on tällöin oltava sellaiset, että näistä lisävastuksista selvitään. Jos moottori ei pysty vastaamaan vastukseen, on käytettävä jatkuvasti pienempää ajovaihdetta. Tällöin moottorin koko tehoa ei pystytä hyödyntämään. Kun vastus kasvaa, moottorin kierrokset laskevat ja vääntömomentti kasvaa. Kasvavan momentin pitää kumota kasvanut vastus, jotta traktori selviytyisi. Kuvassa 2.1 on esimerkki traktorin teho- ja momenttikäyrästä sekä moottorin kulutuksesta. Moottorin toimintapiste määräytyy työssä tarvittavan vastuksen mukaisesti. Esimerkiksi äkeen vetämiseen tarvitaan voimaa ja moottorin vääntömomentti aikaansaa tarvittavan voiman. Vetovoima muuttuu renkaiden ja vaihteiston kautta moottorilta tarvittavaksi momentiksi. Jos esimerkiksi moottorilta tarvitaan 400 Nm vääntömomentti, tämä saadaan kuvan 2.1 mukaisesti silloin, kun moottorissa on kierroksia reilu /min. Esimerkki 1. Työkone ja traktorin oma kulkuvastus vaativat 400 Nm vääntömomentin moottorilta valitulla ajovaihteella. Mikä on kuvan 2.1 mukaisen traktorin moottorin pyörimisnopeus? Kun katsotaan 400 Nm vääntömomentin kohdalta, niin se saavutetaan n /min moottorin nopeudella. Tätä vastaava teho on n 90 kw (tehokäyrä). Vaihdetta vaihtamalla voidaan moottorilta tarvittavaa momenttia muuttaa. Jos valitaan liian suuri vaihde, moottori ei pysty aikaansaamaan tarvittavaa momenttia ja se sammuu. Jos taasen käytetään hyvin pientä vaihetta moottorin kierrokset ovat korkeat ja käyttöteho on pieni. Tällöin ajonopeus ja työsaavutus ovat myös pienet Dieselmoottorin polttoainetalous Maataloustraktoreiden tehot mitataan yleisesti voimanottoakselilta. Tällöin apulaitteiden ja osittain voimansiirron häviöitä on mukana. Tehon katsotaan olevan hyvin lähellä pyörien akseleilta saatavaa tehoa. Traktorin automatisoituminen ja helppo hallittavuus eli hydraulisten kytkinten ja hydraulisen ohjauksen käytön sekä erilaisten automaattisten toimintojen takia polttoainetalous hieman kärsii, koska nämä lisätoiminnot tarvitsevat oman osansa moottorin tehosta. Kuvaan 2.2 on koottu traktoreiden testiselostusten mittaustuloksia. Traktorin moottoritehon kasvaessa ominaiskulutus pienenee. Toisaalta jos katsotaan alhaisimpia ominaiskulutuksia, niin ne on saavutettu sekä pieni- että suuritehoisilla moottoreilla. Voimanottoakselilta mitattuna parhaimmat traktorit pääsevät suurimman tehon kohdalla luokkaa 220 g/kwh kulutuksiin. Kuvassa 2.2 kulutuksen keskiarvo 8

10 LUKU 2. TRAKTORIT 9 Kuva 2.1: Esimerkki traktorin tehonmittauskäyrästä on 267 g/kwh. Suurin ominaiskulutus on 358, pienin 225 ja hajonta on 20 g/kwh. Tämän perusteella saadaan, kun vaihteluna käytetään kaksi kertaa hajonta arvoa 40 g/kwh (2 20 g/kwh = 40 g/kwh, 95% aineistosta on tällä alueella), saadaan moottorien ominaiskulutukselle vaihteluksi ±15 %. Vaihtelu on kuvan 2.2 mukaisesti suurinta pienillä tehoilla. Kuva 2.2: Traktorin nimellistehon ominaiskulutuksen riippuvuus traktorin moottoritehosta [OECD Tractor test reports, Nebraska tractor test reports] Tehonmittauksessa mitattu ominaiskulutus ei kuitenkaan kerro käytännön työnteon kulutusta. Mittaustilanteessa apulaitteita ei tarvita ja ne toimivat pienellä tehontarpeella. Työssä apulaitteiden ottama teho kasvaa, jolloin polttoainetalous heikkenee. Jos moottorin sitkeys on huono, moottoria joudutaan käyttämään jatkuvasti hyötysuhteeltaan huonolla alueella. Lisäksi traktoria harvoin kuormitetaan täydellä teholla, keskimääräinen vuotuinen tehon käyttö onkin vain % nimellistehosta ja keskimääräinen moottorin nopeus r/min. Tällöin hyvä polttoainetalous osakuormilla on tärkeä. Traktorin kuljettaja voi vaikuttaa kulutukseen useita kymmeniä prosentteja eli paljon enemmän kuin mitä itse moottorin ominaisuudet vaikuttavat. Suurimpia vaikuttajia ovat ajotapa, työkoneen säätö ja kunnossa pito. Moottorin ominaiskulutus ilmoittaa myös moottorin hyötysuhteen. Dieselöljyn ja kevyen polttoöljyn alempi lämpöarvo H on MJ/kg ja usein käytetään arvoa 43 MJ/kg. Tämän mukaan, kun moottorin ominaiskulutus tiedetään, saadaan hyötysuhteeksi, yhtälö 2.1. Hyötysuhde on η = Pm P pa, jossa P m on moottorin teho ja P pa on polttoaineteho. Polttoaineteho saadaan polttoaineen kulutuksesta ja lämpöarvosta, P pa = q m H (q m on polttoaineen kulutus ja H sen alempi lämpöarvo). Moottorin teho voidaan laskea ominaiskulutuksen ja polttoaineen kulutuksen avulla, P m = qm q om. Kun nämä yhtälöt yhdistetää, saadaan η = qm qom q = 1 m H q om H. Kun lämpöarvona käytetaan 43 MJ/kg, saadaan yhtälö 2.1. Parhaitten moottoreiden hyötysuhteet ovat 50 % luokkaa.

11 LUKU 2. TRAKTORIT 10 Traktoridieseleissä hyötysuhteet ovat normaalisti %. η = 83, 7 b η Hyötysuhde b moottorin ominaiskulutus [ 100% (2.1) g kw h ] Esimerkki 2. Moottorin ominaiskulutus on 250 g/kwh, mikä on sen hyötysuhde? η = 83, = 33,5 % Traktorin moottorin koko toiminta-alueen ominaiskulutus kuvataan yleisesti ns simpukkakäyrästöllä, kuva 2.3. Simpukkakäyrästöt ovat työläitä mitata ja sen takia niitä ei useinkaan ole saatavilla. Lisäksi niiden tulkinta on hankalaa, etenkin jos ajatellaan käytännön työskentelyä, koska pitäisi tietään moottorin vääntömomentti ja pyörimisnopeus, jotta nähtäisiin missä kohtaa käyrästöä moottori toimii. Käyrän perustana on moottorin vääntömomenttikäyrä kierrosnopeuden funktiona. Tämä on mitattu käyttäen moottorin suurinta nopeutta (kaasuvipu täysin auki). Rajamomenttikäytä on kuvassa2.3 esitetty paksulla viivalla. Käyrästöä varten tehdään lisäkokeita, joissa ei ole käytössä moottorin suurinta nopeutta, vaan käytetään hieman alhaisempia nopeuksia (kaasuvipu ei ole täysin auki, osakuoma). Tarpeeksi tiheillä mittauksilla saadaan riittävästi pisteitä simpukkakäyrästön piirtämiseen. Kun traktoria käytetään pitäisi tietää moottorin nopeus ja joko vääntömomentti tai teho, jotta pystytään lukemaan ominaiskulutus g/kwh Moottorin teho nimellistehosta % Vääntömomentti, Nm % 60% % % Pyörimisnopeus, 1/min 0 Kuva 2.3: Traktorimoottorin simpukkakäyrästö Polttoainetalouden kannalta pitäisi pyrkiä kuvan 2.3 perusteella pyrkiä käyttämään alhaisia pyörimisnopeuksia, silloin ominaiskulutus on alhainen ja hyötysuhde on hyvä. Tämä on luonnollistakin, koska pyörimisnopeuden kasvaessa sekä kitkateho että ilman ja savukaasujen pumppaaminen tarvitsevat suuremman käyttötehon. Kuvasta nähdään myös, että silloin kun moottori kuormittuu hyvin (moottorin teho on 80-90% nimellistehosta) ominaiskulutus on melko vakio. Jos taasen käyttöteho on pieni verrattuna nimellistehoon, polttoaineen ominaiskulutus vaihtelee runsaasti. Esimerkiksi 40% tehon käytöllä ominaiskulutus vaihtelee g/kwh. Ajamalla hanat auki saadaan ominaiskulutus suureksi ja alentamalla kierroksia ja vaihtamalla suurempi ajovaihde, jolloin ajonopeus (ja työsaavutus) säilyy samana voidaan säästää polttoainetta.

12 LUKU 2. TRAKTORIT 11 Esimerkki 3. MIkä on kuvan 2.3 traktorin edullisin moottorin käyttöalue? Kuvasta nähdään, että pienin kulutus g/kwh saadaan kun moottorin nopeus on alle /min. Jos moottorista otetaan täysi teho, silloin kulutus on 260 g/kwh. Kun tehontarve 80 % tai vähemmän suurimmasta tehosta, silloin kierrosten tiputtaminen alle /min saa moottorin toimimaan edullisimmalla alueella. On kuitenkin muistettava, että alhaisten kierrosten käyttö rasittaa enemmän moottoria ja voimansiirtoa, koska vääntömomentti on silloin korkea ja moottorin työtahdit ovat voimakkaampia ja iskumaisempia Moottorin päästöt Traktorimoottorin säänneltyjä päästöjä ovat hiilivedyt (HC), häkä (CO), typen oksidit (NO x ) ja hiukkaset (PM). EU:n päästörajat on esitetty taulukossa 2.1 Taulukko 2.1: Traktorimoottorien päästörajat EU:ssa [Directive 2005/13/EC] Luokka Teho kw Voimaantulo CO g/kwh HC g/kwh NO x g/kwh PM g/kwh L 130 P M 75 P < N 37 P < P 19 P < (NO x +HC) Päästörajat annetaan ominaispäästöinä, mikä tarkoittaa että ne on suhteutettu tehtyyn työhön. Päästöarvot määritetään usean kuormituspisteen painotettuna keskiarvona ja ne kuvaavat keskimääräistä koneen vuotuista käyttöä. Jos päästöt halutaan laskea tarkemmin kunkin työn aikana, silloin olisi tunnettava moottorin kuormitus ja sitä vastaava päästöarvo. Päästöarvot ovat moottoreiden päästöarvoja eli ne mitataan pelkälle moottorille ei traktorin voimanottoakselilta. Kun moottorin käyttöteho tunnetaan, päästön massavirta voidaan laskea yhtälöllä 2.2. q m = P q e (2.2) q m päästön massavirta [ g h ] P moottorin teho [kw] päästökomponentin ominaispäästö q e g kw h. Mikä on hään massa- Esimerkki 4. Moottorin teho on 45 kw ja hään (CO) ominaispäästö on 1 virtaus? q m = 45 kw 1 g kw h = 45 g/h. g kw h Jos päästöt halutaan laskea tehtyä työtä kohti, niin maataloudessa tärkeä työsaavutuksen yksikkö on pintaala eli käytännössä hehtaari. Samoin polttoaineen kulutuksessa ja päästöissä hehtaaria kohti käytettyä polttoainemäärää tai hehtaaria kohti tuotettua päästömäärää tarvitaan vertailtaessa esimerkiksi työmenetelmiä. Pinta-alaa kohti tuotettu päästö saadaan päästön massavirrasta yhtälön 2.3 avulla. q a = q m v a (2.3) q a päästö pinta-alaa kohtia [ g v a työsaavutus [ ha h ] q m päästön massavirta [ g h ] Esimerkki 5. Edellisen esimerkin traktorilla äestetään ja työsaavutus on 3 ha/h. Mikä on päästömäärä hehtaaria kohden? q a = 45g h h 3ha = 15 g/ha Polttoaineet Dieselöljyn ominaisuudet vaihtelevat meillä kesä, talvi ja arktisen laadun mukaan. Merkittävämpänä muutoksena näissä on samepiste. Kylmässä dieselöljyn parafiinit kiteytyvät ja lämpötilaa, jossa kiteytyminen alkaa kutsutaan samepisteeksi. Parafiinien kiteytyessä polttoainesuodattimien paperiin suodattimet tukkeutuvat täysin. ha ]

13 LUKU 2. TRAKTORIT 12 Talvilaatujen viskositeetti ja tiheys ovat kesälaatua pienemmmät. Dieselpolttoaineiden syttyvyys määritetään setaaniluvulla. Setaaniluvun määritys perustuu standardinmukaiseen koemoottoriin. Dieselpolttoaineissa, samalla lailla kuin bensiinissä, käytetään myös lisäaineita. Näitä ovat esim. hapettumisenestoaineet, korroosion estoaineet ja syttymisen apuaineet. Energiariisi 1970-luvulla herätti uudestaan mielenkiinnon korvaaviin polttoaineisiin. Mitään uusia polttoaineita ei sinänsä ole kokeiltu, lähinnä kokeiltiin uutta tekniikkaa ja materiaalia jo tunnettujen vaihtoehtoisten polttoaineiden käyttöön. Nykyiset moottorit on suunniteltu korkealaatuisten polttoaineiden käyttöön ja korvaavia polttoaineita käytettäessä moottoreiden toimintavarmuus heikkenee ja kestoikä lyhenee. Kokeiltuja korvaavia polttoaineita ovat olleet mm. puukaasu, kasviöljyt, kiinteät polttoaineet (pölyt), alkoholit ja vety. Korvaavien polttoaineiden ongelmana on, etteivät niiden ominaisuudet vastaa nykyisten fossiilisten polttoaineiden ominaisuuksia. Ongelmia on niiden pakkaskestävyydessä, juoksevuudessa, energiatiheydessä ja käytettävyydessä. EU on asettanut liikenteen polttoainekäytölle tavoitteen, jonka mukaan vuoteen 2020 mennessä biopolttoaineiden osuuden pitäisi olla vähintää 10%. Biopolttoaineille on myös asetettu seuraavat kestävyyskriteerit. Biopolttoaineiden pitää aikaansaada vähintään 35% kasvihuonekaasuvähennys lähtien vähennyksen pitää olla vähintään 50% ja lähtien jälkeen käyttöön otetuissa tuotantolaitoksissa tuotetun biopolttoaineen pitää aikaansaada vähintään 60% vähennys. [Directive 2009/28/EC] Moottorin kuormittuminen Fr Fv Ft Fm G Kuva 2.4: Traktori Kuvassa 2.4 on esitetty traktori vetotyössä rinteessä. Työkoneen vetämiseen tarvittava vetovoima on F t, traktorin omaan liikkumiseen tarvittava voima on F v. Rinteestä johtuen traktorin paino voidaan jakaa kahteen komponenttiin, rinteen suuntaiseen (F r ) ja kohtisuorassa rinnettä olevaan (F m ). Traktorin moottorin on tuotettava riittävä vääntömomentti, jotta renkaiden ja maan välille muodostuu riittävä kehävoima, joka kuljettaa sitä eteenpäin. Traktorin oma kulkuvastus ilmoitetaan vierimisvastuskertoimen avulla, yhtälö 2.4. Kulkuvastus riippuu suurimmaksi osaksi alustasta, jossa liikutaan. Taulukossa 2.2 on esitetty tyypillisiä vierimisvastuskertoimien arvoja. F v = f G (2.4) F v f G kulkuvastus, vierimisvastus vierimisvastuskerroin traktorin paino, G=g m Esimerkki 6. Traktori, jonka massa on 5400 kg liikkuu pellolla. Kuinka suuri voima ja teho tähän tarvitaan, kun ajonopeus on 8 km/h? Oletetaan pellon vierimisvastuskertoimeksi f=0,1. Traktorin paino on 5400kg 9, 81 m s = 53,0 kn. Vierimisvastusvoima on F v = 0, 1 53, 0kN = 5,3 kn. Tarvittava teho P=F v = 5,3 kn 8 m 2 3,6 s = 11,8 kw.

14 LUKU 2. TRAKTORIT 13 Alusta Vierimisvastuskerroin Asfaltti 0,02 Soratie 0,04-0,05 Normaali pelto 0,07-0,10 Pehmyt pelto 0,1-0,3 Taulukko 2.2: Tyypillisiä vierimisvastuskertoimien arvoja Rinnevastus F r on seurausta ylöspäin nousemisen aiheuttavasta vastuksesta. Maan vetovoiman vaikutus traktoriin voidaan jakaa kahteen komponenttiin, rinnettä vastaan kohtisuoraan komponenttiin F m ja rinteen suuntaiseen komponenttiin F r, yhtälöt 2.5 ja 2.6. F r = G sinα (2.5) F m = G cosα (2.6) F r F m G α rinnevastus rinnepaino traktorin paino, G=g m rinnekulma Esimerkki 7. Edellisen esimerkin traktori nousee 5º rinnettä, miten tilanne muuttuu? Rinnevastus F r = 53,0 kn sin 5º = 4,6 kn. Vierimisvastus muuttuu hieman, koska traktorin painon kohtisuoraan maata oleva komponentti muuttuu, F m = 53,0 kn cos 5º = 52,8 kn, josta seuraa, että F v = 0,1 52,8 kn 5,3 kn. Kokonaisvastusvoima on nyt 9,9 kn ja tehontarve on P = 9,9 kn 8 m 3,6 s = 22 kw. Edelliseen esimerkkiin verrattuna traktorin tehontarve lähes kaksinkertaistui. Traktorin renkaiden on aikaansaatava tarvittava voima, jonka suuruus määräytyy traktorin oman kulkuun tarvittavista vastusvoimista ja työkoneen vetämiseen tarvittavasta voimasta. Toisaalta moottorin on aikaansaatava riittävä momentti, jonka perusteella tarvittavat voimat syntyvät. Moottorilta tarvittava momentti saadaan yhtälön 2.7mukaisesti. M = i M v (2.7) M i M v moottorin vääntömomentti välityssuhde vastusvoimien voittamiseen tarvittava momentti Esimerkki 8. Edellisten esimerkkien traktori vetää äestä, joka tarvitsee 10 kn vetovoiman. Kuinka suuri on traktorin tehontarve ja kuinka suuri vääntömomentti moottorilta vaaditaan, jos traktorin moottorin tehokäyrä on kuvan 2.1 mukainen? Kokonaisvastusvoima on nyt 9,9 kn + 10 kn = 19,9 kn (työtä tehdään rinteessä). Tarvittava teho on 19,9 kn 8 m 3,6 s = 44,2 kw. Lasketaan momentti takavetoiselle traktorille, tarvittava taka-akselin vääntömomentti säteeltään 0,8 m renkaille on: M= F r = 19,9 kn 0, 8m = 15,9 knm. Moottorin nimellisteholla vääntömomentti on 300 Nm (kuva 2.1). Jotta työ onnistuisi, tarvitaan välille vaihde, joka muuntaa momentin moottorille sopivaksi. Tässä tapauksessa kokonaisvälityssuhteen pitää olla i= = 53. Riippuu traktorin voimansiirrosta onko siellä saatavilla juuri tämän suuruinen välitys. Laskettu välityssuhde tarkoittaa sitä, että moottorin kierrähtäessä 53 kierrosta pyörä pyörähtää yhden kierroksen. Jos moottorin nopeus on 2200 r/min, pyörän nopeus on 41,5 r/min. Renkaan kehä on π r= π 0, 8m = 2,51 m. Yhden minuutin aikana rengas etenee 41,5 2,51 = 104 m/min = 6,3 km/h. Kyse oli takavetoisesta traktorista, momentti ja kehävoima jakaantuu tällöin kahdelle pyörälle. Nelivetoisessa traktorissa momentti ja kehävoima jakaantuvat neljälle pyörälle. Koska maatalustraktorin etuja takapyörien välillä ei ole tasauspyörästöä vaan ne ovat kiinteästi toisiinsa kytketyt, kokonaismomentti jakaantuu neljälle pyörälle pyöräkuormien ja renkaan ominaisuuksien mukaan.

15 LUKU 2. TRAKTORIT 14 Traktorin moottori Traktorin moottorin hyötysuhde riippuu moottorin kuormitusasteesta. Silloin kun käyttöteho on pieni verrattuna suurimpaan tehoon ja moottorin kierrokset ovat korkeat, moottorin hyötysuhde on huono. Polttoainetta voidaan säästää käyttämällä oikean kokoisia työkoneita traktoreissa ja välttämällä suurten moottorinopeuksien käyttöä. 2.2 Traktorin voimansiirto Traktorissa on kaksi täysin toisistaan riippumatonta voimansiirtolinjaa, ajovoimansiirto ja voimanottoakselikäyttö. Näitä hallitaan erillisillä kytkimillä ja vaihteilla. Ajovoimansiirtoa käytettäessä traktorin ajonopeutta voidaan muuttaa moottorin kierroksia muuttamalla. Voimanottoakselikäytössä moottorin nopeus on pidettävä samana, jotta työkoneen nopeus pysyisi tasaisena. Ajonopeutta voidaan silloin muuttaa vain vaihteiston avulla Ajovoimansiirto Vaihteistolla on kaksi tehtävää. Sen avulla valitaan työhön sopiva ajonopeus. Työn teko sujuu oikein tietyllä ajonopeusalueella, esimerkiksi kynnössä ajonopeus voi olla 6-9 km/h. Toisaalta vaihteiston avulla voidaan työn nopeusalueelta hakea välitys, jolla moottorin koko teho saadaan käyttöön. Yhtälön 2.7 avulla voidaan laskea moottorin vääntömomentti, kun vastusvoimat tiedetään. Koska traktoria käytetään moniin erilaisiin töihin, traktoreiden vaihdemäärät ovat suuret. Optimiratkaisuna olisi portaaton vaihteisto, jolloin meillä olisi kaikissa tilanteissa oikea välitys käytettävissä. Traktorin voimansiirto on muuttunut viime vuosina perusteellisesti. Aiemmin traktorin vaihteisto oli pääasiassa mekaaninen ja se oli mahdollista varustaa kaksi- tai moniportaisella pikavaihteella. Portaattomat vaihteistot tulivat aluksi hydrostaattisina ja nykyään planeettapyörästöä hyödyntävinä. Pikavaihteissa vaihdemäärä on lisääntynyt ja myös kaksoiskytkinvaihteistoja on tullut markkinoille. Hydrostaattisen voimansiirron ongelmana on sen heikko hyötysuhde raskaassa vetotyössä. Sen takia sen soveltuvuus maataloustraktoriin on huono. Metsä- ja taajamatraktoreissa hydrostaattinen voimansiirto on yleistynyt hyvän hallittavuuden ja kevyiden standardisoitujen komponenttien takia. Maataloustratkoreissa portaattoman voimansiirron ratkaisuna on ollut planeettapyörästön hyödyntäminen. Kun sen kehäpyörän nopeutta muutetaan hydrauliikan avulla, saadaan portaattomasti eri välityssuhteita. Planeettapyörästövaihteistoissa moottoriteho jakautuu siten, että osa tehosta kulkee mekaanisesti ja osa hydraulisesti. Tämän takia tästä vaihteistosta käytetään myös tehonjakovaihteisto nimeä. Silloin kun voima siirtyy pääosin mekaanisesti, hyötysuhde on selvästi parempi kuin silloin, kun myös voimaa siirtyy myös hydrostaattisesti. Näistä vaihteistoista käytetään yleisesti termiä CVT-vaihteisto (Continuous Variable Transmission). Kuvassa 2.5 on periaatekuva traktorin vetotehosta. Ajovaihteina on ollut vaihteet L3 - H2. Sekä H1 että H2 vaihteilla on saavutettu n 40 kw vetoteho. L3 ja L4 vaihteilla vetoteho on jäänyt pienemmäksi sen takia, koska pyörät ovat lähteneet luistoon. Tämä tarkoittaa siteä, että moottorin momentti on niin suuri, että se pystyy saamaan renkaiden luiston aikaiseksi. Jos työssä tarvitaan 9 kn vetovoima, kuvasta nähdään, että joudutaan käyttämään joko vaihdetta H2 tai H1. Kumpaa tahansa käytetään teho jää runsaaseen 30 kw. Jos traktorissa olisi portaaton mekaaninen vaihteisto, voisimme valita mekaaniselta verhokäyrältä vaihteen ja saada koko tehon käyttöön. Kuvaan 2.5 on piirretty myös esimerkki siitä, miten CVT-vaihteisto muuttaisi tilannetta (CVTverhokäyrä). Siinä on hieman enemmän tehohäviöitä kuin mekaanisessa vaihteistossa, mutta voimansiirtoon ei jää aukkokohtia ja koko moottoriteho on aina hyödynnettävissä. Portaaton voimansiirto mahdollistaa paremman traktorin moottorin ja voimansiirron ohjauksen. Traktoriin voidaan ohjelmoida useita erilaisia toimintatapoja, joista käyttäjä valitsee työtehtävään sopivan. Yhtenä tapana on taloudellinen ajotapa. Kuljettaja valitsee ajonopeuden ja vaihteiston välitys ja mootorin toimintapiste säätyy niin, että moottori toimii taloudellisella tavalla. Howard ym [Howard et al 2011] vertasivat CVT ja mekaanista vaihteistoa vetokokeilla. Kun mekaanisen vaihteiston traktoria käytettiin täysillä kierroksilla, se oli CVT-vaihteistoa taloudellisempi silloin, kun vetoteho oli alle % suurimmasta vetotehosta. Kun mekaanista traktoria ajettiin niin, että kevyillä kuormilla vaihdettiin suurempi vaihde ja pudotettiin moottoorin kierroksia, se oli CVT-vaihteistoa taloudellisempi, kun sen kuormitus oli enemmän kuin 37-52% suurimmasta vetotehosta. CVT-vaihteiston avulla on tämän mukaan mahdollista säästää polttoainetta silloin kun traktoria ei kuormiteta täysin. Toisaalta traktorin automatiikka valitsee automaattisesti sopivan välityksen ja moottorin nopeuden ilman että kuljettajan tarvitsee huolehtia asiasta.

16 LUKU 2. TRAKTORIT 15 Kuva 2.5: Esimerkki traktorin vetotehosta Voimanottoakselikäyttö Kun traktoriin on kytketty voimanottoakselikäyttöinen työkone, se määrittää traktorin moottorin pyörimisnopeuden ja ajonopeus on silloin valittava vaihteiden avulla. Pienitehoisten työkoneiden pyörimisnopeus on 540 r/min ja suuritehoisten 1000 r/min. Traktorin moottorin nopeus on tyypillisesti tällöin % nimellisnopeutta pienempi. Kuvassa 2.6 on esimerkki traktorin tehon mittauksesta ja voimanotosta saatavasta tehosta, kun sen nopeus on 1000 r/min. Voimanoton nimellisnopeus saadaan kuvassa moottorin nopeuden ollessa 1900 r/min ja sillä nopeudella saatava teho on likimain sama kuin nimellisteho (n 110 kw, /min). Jos työkoneen tarvitsema teho on tätä pienempi, silloin moottori käyttäytyy yhtenäisen viivan mukaisesti eli moottorin (ja myös tietysti voimanottoakselin) nopeus hieman kasvaa ja ominaiskulutus lähtee nopeasti kasvuun. Jos tehontarve on 60 kw 110 kw sijasta, ominaiskulutus nousee lukemasta 240 g/kwh lukemaan 280 g/kwh. Jos suuritehoinen traktori käyttää pienitehoista voimanottoakselikäyttöistä työkonetta, silloin kulutus on suuri. Suuri kulutus johtuu traktorimoottorin korkeasta pyörimisnopeudesta, jolloin moottorin kitka- ja kaasunvaihtohäviöt ovat suuret. Pienitehoisia työkoneita (esim. kasvinsuojeluruisku, pöyhin, karhoitin, keskipakoislevitin) pitäisi käyttää pienitehoisella traktorilla. Kuva 2.6: Esimerkki traktorin voimanottoakselitehosta. Yhtenäinen viiva kuvaa voimanoton normaalinopeutta 1000 r/min ja katkoviiva täydellä kaasulla tehtyä mittausta. Nuoli kuvaa sitä miten ominaiskulutus luetaan kun tehontarve on 60 kw. [OECD 2/2 653]

17 LUKU 2. TRAKTORIT 16 Kuvassa 2.6 on esimerkki siitä kuinka kulutus muuttuu, kun traktorissa on käytössä tavallinen voimanottoakselin välitys tai säästövoimanotto. Jos tarvittava teho on esimerkiksi 40% nimellistehosta, polttoaineen säästö käytettäessä säästövoimanottoa säästetään n 20% polttoainetta. Säästövoimanotto saavuttaa 540 r/min alhaisella moottorin kierroksella, jolloin taloudellisuus on parempi. Pienitehoisten työkoneiden kanssa on myös mahdollista käyttää 1000 r/min voimanoton välitystä, jolloin moottorin kierrokset ovat alhaiset. Vaarana on koneen rikkoontuminen, jos sitä käytetään vahingossa suuremmilla pyörintänopeuksilla. Kuva 2.7: Esimerkki traktorin polttoaineen kulutuksesta, kun traktorin normaalin voa-vaihteen (540) sijaan käytetään taloudellisuusvaihdetta (540E) [Sumer ym 2010] Hydrauliikan tehotarve Työkoneiden hydrauliikan käyttötarve on suurimmassa osassa koneita vain hetkellistä kun hydrauliikkaa käytetään sylintereiden liikuttamiseen kuormaajissa ja työkoneissa. Käyttöajat ovat silloin melko vähäisiä ja hydrauliikan kuluttamalla teholla ei ole merkitystä. Jos työkoneissa on hydraulimoottoreita, silloin hydrauliikan tehontarve on jatkuvaa. Hydraulimoottoreita käytetään kuitenkin melko vähän, koska mekaanisen voimansiirron hyötysuhde on aina selvästi hydraulista parempi. Normaalisti hydrauliikan hyötysuhteet ovat % luokassa. Hydrauliikan virtauksessa oleva teho voidaan laskea yhtälön 2.8 avulla ja hydrauliikan ottama teho moottorista yhtälön 2.9 avulla. P = q v p (2.8) P a = P η (2.9) Esimerkki 9. Traktorin työkonehydrauliikan tuotto on 75 l/min ja työpaine on 15 MPa. Hydrauliikan hyötysuhde on 80%, kuinka suuren moottoritehon se tarvitsee toimiakseen? 75m Virtaustehon laskentaa varten täytyy muuttaa virtaus perusyksiköiksi, s = 0,0013 m3 /s. P = 0,0013m 3 /s Pa = 18,8 kw. Moottorista tarvittavaa tehoa laskettaessa hyötysuhde pitää ottaa huomioon, P a = 18,8 0,8 = 23,4 kw. Traktorin voimansiirto Maataloustraktoria käytetään paljon vetämään työkoneita. Tällöin voimansiirron hyötysuhteen pitäisi olla korkea, jotta päästäisiin alhaisiin kulutuksiin. Mekaanisen voimansiirron hyötysuhde on parempi kuin hydraulisen, jolloin etenkin suuria tehoja kannattaa siirtää mekaanisesti. Portaaton voimansiirto mahdollistaa traktorin käytön siten, että moottori toimii aina hyötysuhteeltaan hyvällä alueella.

18 LUKU 2. TRAKTORIT Traktorin vetovoima ja vetoteho Traktori on maatalouden perustyökone, se ei pysty yksinään tekemään työtä vaan siihen kiinnitetään erilaisia työkoneita työtarpeen mukaan. Kun kyseessä on hinattava työkone sen vetämiseen tarvitaan riittävä vetovoima, jotta työkone saadaan liikkeelle. Jos traktorin vetovoima ei ole riittävä, sen pyörät luistavat ja joko työ etenee hitaasti tai pahimmassa tapauksessa työkonetta ei saada liikkeelle. Pyörien luisto, jos se on liiallista, aiheuttaa urien syntymisen peltoon ja sitä kautta maan rakenne kärsii. Kun työkone on saatu liikkeelle, moottorin teho määrää sen millä nopeudella liikutaan. Jokaisella työllä on sille sopiva nopeus ja jos moottoriteho on liian pieni, tätä nopeutta ei saavuteta. Jos moottoriteho taasen on suurempi kuin työssä tarvittava teho, silloin käytetään vain osa moottoritehoa hyödyksi Traktorin vetovoima Vetäminen on usein maataloustraktorin tärkein tehtävä. Tähän voi liittyä myös muita toimintoja, kuten työkoneen kannattaminen tai voimansiirto työkoneeseen. Työn onnistumisen kannalta ratkaisevana asiana on riittävä vetovoima ja riittävä vetoteho. Hinattava työkone kiinnitetään traktorin vetokoukkuun, vetotankoon tai vetovarsiin. Tilannetta voidaan tarkastella kuvan 2.8 mukaan. Voima- ja momenttitasapainoista ratkaistaan vetovoima. Kun tarkastellaan alustan suuntaisia voimia, saadaan yhtälön 2.10 mukainen tasapaino. F n F v F t F r = 0 (2.10) F n F v F t F r kehävoima (kitkavoima), joka syntyy renkaan ja maan välillä vierimisvastusvoima, joka syntyy renkaiden ja maan muodonmuutoksesta työkoneen vetämiseen tarvittava voima rinnevastus Kuva 2.8: Hinattavan työkoneen vedossa vaikuttavat voimat Yhtälön 2.10 kehävoima F n saadaan yhtälön 2.11 avulla kun kyseessä on nelipyörävetoinen traktori (koko traktorin massa on vetävien pyörien päällä). Kehävoiman ja akselikuorman suhdetta sanotaan kehävoimakertoimeksi. Se ilmoittaa kuinka suuri kehävoima on traktorin massaan verrattuna. F n = µg (2.11) F n kehävoima µ kehävoimakerroin (kitkakerroin) G traktorin massa Traktorin omaan liikkumiseen tarvittava voima saadaan yhtälön 2.4 avulla. Tätä voimaa kutsutaan vierimisvastusvoimaksi. Sen ja traktorin massan suhdetta kutsutaan vierimisvastuskertoimeksi. Nelipyörävetoisen traktorin vetovoima vaakasuoralla alustalla saadaan vähentämällä kehävoimasta kulkuvastus, F t = F n F v. Kun otetaan huomioon yhtälöt 2.4 ja 2.11 saadaan yhtälön 2.12 mukainen vetovoima. F t = G (µ f) (2.12)

19 LUKU 2. TRAKTORIT 18 Kun liikutaan rinteessä, silloin täytyy ottaa huomioon rinteen aiheuttama lisävastus, yhtälö 2.5. Kun tämä otetaan huomioon, saadaan traktorin vetovoimaksi rinteessä yhtälö F t = G (µ f sinα) (2.13) Pehmeällä alustalla liikuttaessa renkaiden rivat uppoavat maahan ja pyrkivät kuorimaan maan pintaa. Pyörien pito (kehävoima) perustuu tähän kuorimiseen, renkaat käyttävät hyväksi maan leikkauslujuutta. Mitä kovempi ja pitävämpi maa on, sitä lujempi se on ja sitä parempi pito saadaan aikaiseksi. Kehävoimakerroin riippuu maan lujuudesta mutta myös pyörien luistosta, kuva 2.9. Kuvan käyrät edustavat keskimääräisiä arvoja ja renkaiden ominaisuudet vaikuttavat niihin merkittävästi. Kuva 2.9: Tyypillisiä kehävoimakertoimia eri olosuhteissa. Tyypillisiä vierimisvastuskertoimia on taulukossa 2.2. [Renius K.T. 1999] Esimerkki 10. Traktorin massa on 4500 kg. Jotta peltoon ei jäisi luistouria, pyörien luisto ei saa ylittää 20 %. Kuinka suuri vetovoima ja vetoteho saadaan aikaiseksi kuivalla savella kun ajonopeus on 9 km/h? Katsotaan kuvasta % kohdalta kehävoimakerroin µ 0,45 ja pellon vierimisvastuskerroin f= 0,1. F t =(0,45-0,1) ,81 = 15,5 kn (yhtälö 2.12). Ajonopeus pitää muuttaa laskuja varten yksikköön m/s, yhdessä kilometrissa on 1000 m ja tunnissa on 3600 s, v= m 3600s = 2,5 m/s. Vetoteho P=F t v= 15,5 kn 2,5 m/s = 38,8 kw. Traktorin vierimisvastuskerroin oli 0,1, jolloin traktorin omaan kulkemiseen tarvitaan 0, ,81 = 4,4 kn voima ja P=4,4 2,5 m/s = 11,0 kw teho. Tämän lisäksi tehoa hukkaantuu myös pyörien luistoon. Normaalisti tarvitaan 1,5-2 kertainen moottoriteho vetotehoon verrattuna. Tässä tapauksessa moottoriteho olisi kw. Kuten kuvasta 2.9 nähdään, kehävoimakerroin riippuu pyörien luistosta. Ilman luistoa ei olisi kehävoimaa, luisto on siten välttämätön paha. Sitä tarvitaan, jotta saataisiin vetovoima aikaiseksi, mutta toisaalta luisto on suoraan häviötehoa. Pyörien ja telojen pito perustuu siihen, että pehmeällä maalla renkaan rivat uppoavat maahan ja rengas yrittää leikata ripojen väliin jäävän maakannaksen irti. Leikkausvoiman suuruus riippuu siirtymästä eli kehävoimakerroin riippuu luistosta. Luisto aikaansaa siirtymän. Kuvasta 2.9 nähdään, että myös kovalla alustalla kehävoimakerroin riippuu luistosta. Tuossa tapauksessa renkaan luisto aiheuttaa maan ja renkaan välille liukukitkaa ja sen voimakkuus riippuu liukunopeudesta (luistosta). Pyörän luistaessa sen kehänopeus on ajonopeutta suurempi. Luisto määritelläänkin kehänopeuden ja ajonopeuden eron avulla, yhtälö Luisto ilmoitetaan tavanomaisesti prosentteina eli silloin yhtälön tulos kerrotaan sadalla. s = v k v a v k (2.14) s v k v a luisto renkaan kehänopeus ajonopeus

20 LUKU 2. TRAKTORIT 19 Esimerkki 11. Traktorin ajonopeus on 8 km/h ja luisto on 12%. Mikä on renkaiden kehänopeus? Yhtälöstä 2.14 ratkaistaan kehänopeus, v k = ajonopeuden erotus 1,1 km/h on renkaiden luistonopeus Traktorin vetohyötysuhde va 1 s = 8 1 0,12 km h = 9,1 km/h. Renkaiden kehänopeuden ja Kun tarkastellaan vetävää rengasta, kuva 2.10, nin voidaan tehdä yhtälön 2.15 mukainen tehotarkastelu, jossa akselilta pyörälle tuleva teho jakaantuu työkoneen vetämiseen P a, omaan liikkumiseen P v ja P r ja pyörien luistoon P s. Näistä varsinainen hyödyllinen teho on työkoneen vetäminen eli vetoteho P t. P p = P v + P r + P t + P s (2.15) P p P v P t P r P s pyörälle tuleva teho vierimisvastusteho vetoteho rinteen nousuun tarvittava teho luistoon kuluva teho P p = M ω v k v a F t, P t F n, P n P s F v, P v oiman tarve R Kuva 2.10: Pyörään vaikuttavat voimat ja momentit. Pyörälle tuleva akseliteho P p saadaan akselilla vallitsevasta vääntömomentista ja akselin nopeudesta, yhtälö Vetoteho P t on yhtälön 2.17 mukainen. Työkoneella on vetovastus ja traktorin on aikaan saatava tätä vastaava vetovoima, jotta työnteko onnistuu. Vierimisvastukseen P v tarvittava teho saadaan vierimisvastusvoimasta F v ja ajonopeudesta v a, yhtälö Luistoteho P s saadaan luistonopeudesta ja kehävoimasta F n, yhtälö Rengas hukkaa luistoon tehon, joka syntyy renkaan alla luistonopeuden ja renkaaseen vaikuttavan kehävoiman tulona. Luistonopeus on kehänopeuden ja ajonopeuden erotus. P = Mω = M n π = M n 0, 105 (2.16) 30 P M ω n teho vääntömomentti kulmanopeus rad/s pyörimisnopeus 1/min P t = F t v a (2.17) P t F t v a työkoneen vetoteho työkoneen vetovastus ajonopeus P v = F v v a (2.18) P v F v v a traktorin vierimisvastusteho traktorin vierimisvastus ajonopeus

21 LUKU 2. TRAKTORIT 20 s P s = F k v s = F k v a 1 s (2.19) P s F k v s luistoteho kehävoima luistonopeus Esimerkki 12. Kehävoimakerroin muuuttuu luiston mukana kuvan 2.9 normaali pelto käyrän mukaisesti. Miten tehonjakautuma muuttuu luiston muuttuessa? Vierismisvastuskerroin on 0,1, traktorin massa on 4500 kg ja ajonopeus on kaikissa tapauksissa 9 km/h. Lasketaan esimerkki 15% luiston kohdalta. Kehävoimakerroin on kuvan 2.9 mukaisesti 0,4. Traktorin vetovoima on yhtälön 2.12 mukaisesti F t = (0, 4-0,1) 9,81m/s kg = 13,3 kn ja vetoteho P t = 13,3 kn 9 3,6 m/s = 33,2 kw. Kulkuvastus F v= 0,1 4500kg 9, 81m/s 2 = 4,4 kn ja kulkuteho on P v =4,4 kn 9 3,6 m/s =11,0 kw. Rinteen nousuun tarvitaan F r= 4500kg 9, 81m/s 2 sin(3)= 2,3 kn ja rinneteho on 2,3 kn 9 3,6m/s = 5, 8kW. Jos traktori kulkisi alamäkeen, tämä voima ja teho olisi negatiivinen eli traktori kulkisi kevyemmin, rinne auttaisi alaspäin menoa. Traktorin renkaiden kehänopeus saadaan ajonopeudesta ja luistosta v n =9 0,15 1 0,15 = 10,6 km/h. Luistonopeus on 10,6-9,0 = 1,6 km/h. Kehävoima F n= µg= 0,4 4500kg 9,81m/s 2 = 20,0 kn ja luistoteho on P s = 1,6 3,6m/s 20,0 kn = 8,8 kw. Alla olevaan kuvaan on laskettu tehon jakautuminen eri pyörien luiston arvoilla. Nähdään, että luiston kasvaessa siihen kuluva teho kasvaa voimakkaasti. Vetotehon osuus on suurimmillaan % luiston kohdalla. Traktorille voidaan johtaa yhtälö, joka suoraan ilmaisee vetohyötysuhteen. Vetohyötysuhde näyttää kuinka suuren osan pyörän akselille tulevasta tehosta saadaan muutettua työkoneen vetämiseen, yhtälö η = P t P a = F tv a Mω = F tv a F k v k = (µ f) G v a (1 s) µ G v a = (1 s)(1 f µ ) (2.20)

22 LUKU 2. TRAKTORIT 21 Esimerkki 13. Laske kuvan 2.9 normaali pelto arvojen avulla traktorin vetohyötysuhde. Laskennan avulla saadaan alla oleva kuva.hyötysuhde on parhaimmillaan luisto ollessa 10-15% paikkeilla Vetoteho ja moottoriteho Kun traktori vetää työkonetta, sen vetämiseen tarvittava vetoteho saadaan yhtälöstä Tarvittava akseliteho (moottoriteho) voidaan sen jälkeen laskea yhtälön 2.20 avulla. Tästä laskennasta puuttuu rinteiden vaikutus. Sen mukaan ajetaanko ylä- tai alamäkeä tarvitaan hieman enemmän tai vähemmän tehoa. Normaalisti tarvitaan 1,5-2 kertainen moottoriteho vetotehoon verrattuna, yhtälö P m = k P t (2.21) P m traktorin moottoriteho P t vetoteho k kerroin (1,5-2) Mistä tuo kerroin k sitten tulee? Edellä käsittelimme vetohyötysuhdetta ja saimme sille parhaimmillaan % arvoja. Vetohyötysuhde on vetotehon ja akselitehon suhde, η = Pt P a P a = Pt η = 1 η P t. Jos rinnevastusta ei oteta huomioon, silloin k on vetohyötysuhteen käänteisluku ja esimerkiksi 60% vetohyötysuhde tarkoittaa k-kerrointa 1,7 ( 1 0,6 = 1, 7). Esimerkki 14. Äkeen vetovastus on 14 kn ja äestysnopeus on 9 km/h. Kuinka suuri moottoriteho tähän tarvitaan? P t =14 kn 9 3,6m/s = 35 kw. Jos vetohyötysuhde on parhaimmillaan 70 % ( edellisen esimerkin kuva), P a = 1 η P t= 0, = 1,4 35= 49 kw. Tässä tapauksessa moottoritehon tarve oli 1,4 kertainen vetotehoon verrattuna. Vetovoima ja vetoteho Työkoneen vetovastus määrittää traktorilta vaadittavan vetovoiman. Vedettävien raskaiden työkoneiden vetämisessä pyörien luiston pitäisi olla % paikkeilla, koska silloin renkaiden voiman välityskyky on parhaimmillaan. Vetokykyä voidaan parantaa lisäpainoilla, tämä sillä edellytyksellä ettei pyörät uppoa maahan. Vetoteho on vetovastuksen ja ajonopeuden tulo ja siihen vaikuttaa moottoriteho. Moottoritehon tarve on 1,5-2 -kertainen vetotehoon nähden. 2.4 Traktorin paino ja lisäpainot Yhtälön 2.12 mukaisesti traktorin vetovoima riippuu traktorin massasta, renkaiden pidosta ja vierimisvastuksesta. Vetovoimaa voidaan siten lisätä lisäämällä massaa ja käyttämällä pitävämpiä renkaita ja renkaita, joiden

23 LUKU 2. TRAKTORIT 22 vierimisvastus on alhainen. Nämä vaikuttavat myös polttoainetalouteen. Työkone tarvitsee tietyn vetovoiman ja jos traktorin vetokyky paranee, sen seurauksena luisto pienenee ja usein polttoainetalous paranee. Näitä asioita tarkastellaan tässä kappaleessa. Traktorin paino vaikuttaa siihen kuinka hyvin moottoriteho pystytään hyödyntämään raskaassa vedossa. Jos traktori on liian kevyt vetotehtävään, silloin seurauksena on pyörien luisto ennenkuin moottori kuormittuu täysin. Jos traktori on liian painava, silloin suuri osa moottorin tehosta kuluu traktorin omaan kulkemiseen. Kappaleessa on käsitelty vetohyötysuhdetta. Se on parhaimmillaan normaalilla peltomaalla kun pyörien luisto on 10-20% luokkaa. Tämän perusteella on tehty kuva 2.11, jossa on nopeuden funktiona tarvittava paino-tehosuhde. Normaalilla peltotyön nopeusalueella (5-10 km/h) raskaassa vedossa tarvitaan kg painoa jokaista moottorin kw kohden. Katsotaan tilannetta esimerkiksi 5 km/h kohdalta, painoa pitäisi olla 100 kg moottorin kw kohden. Jos näin ei ole pyörät lähtevät luistamaan ennenkuin moottorin koko teho on käytössä eli traktorin paino on liian pieni, jotta moottoriteho voitaisiin hyödyntää kokonaan. Kuva 2.11: Traktorin painon suhde moottoritehoon, kriteerinä on vetotehon hyvä hyödyntäminen Lisäpainot lisäävät traktorin massaa ja tämä lisää vetovoimaa. Se mitä työnteossa tapahtuu on pyörien luiston pieneneminen. Kuvassa 2.12 on esimerkki miten lisäpainot vaikuttavat luistoon. Tässä esimerkissä työkone tarvitsee 15 kn vetovoiman. Kun traktoriin lisätään lisäpainot se aikaansaa tämän vetovoiman pienemmällä pyörien luistolla. Esimerkissä luisto pienenee lähes 5 %-yksikköä ja vastaavasti työsaavutus lisääntyy lähes saman verran. Käytännössä asia ei ole aivan näin yksioikoinen. Jos lisäpainojen takia traktorin pyörät uppoavat maahan, silloin traktorin oma kulkuvastus lisääntyy ja lisäpainojen hyöty menetetään. Lisäksi voidaan aiheuttaa maan tiivistymistä. Lisäpainoja käytetään nykyisin yleensä traktorin ohjattavuuden varmistamiseen. Raskaat työkoneet keventävät etuakseli ja traktorin ohjattavuus heikkenee. Lisäpainoilla saadaan riittävä akselipaino aikaiseksi. Kuva 2.12: Lisäpainojen vaikutus työtekoon. Normaali pelto, traktorin paino 4000 kg ja lisäpainoja 600 kg. Vetävän renkaan kuvion jäljen pellon pinnassa pitäisi olla melko selvä eikä rengas saa kaivautua maahan. Jos kuvio häviää ja rengas tekee uran, silloin pitää joko vähentää työkoneen vetovastusta tai parantaa traktorin kulkukykyä. Ensimmäiseksi kannattaa tarkistaa traktorin rengaspaineet. Seuraavaksi kannattaa tarkastaa

24 LUKU 2. TRAKTORIT 23 työkoneen säädöt ja työsyvyys. Tämän jälkeen voidaan parantaa traktorin vetovoimaa lisäpainoilla sillä edellytyksellä ettei rengas uppoa maahan.

25 Luku 3 Työkoneet Jukka Ahokas, Tapani Jokiniemi ja Hannu Mikkola Helsingin yliopisto, Jyrki Kataja Jyväskylän ammattikorkeakoulu 3.1 Teoreettinen työsaavutus Työsaavutuksella tarkoitetaan sitä kuinka monta hehtaaria tunnissa saadaan tehtyä tai sadonkorjuussa myös, kun satotaso otetaan huomioon, kuinka monta tonnia tunnissa korjataan. Kun työkonetta käytetään pellolla ja sen työleveys on b, käsitelty ala on A = b s, s on työn aikana kuljettu matka. Kun ajonopeus on v = s t, saadaan että kuljettu matka on, s = v t. Työsaavutus ilmoitetaan aikayksikössä tehtynä työnä, perusyksikköjen mukaan se olisi m 2 /s, mutta käytännössä puhutaan ha/h. Kun nämä yhdistetään, saadaan yhtälö 3.1. Kun halutaan laskea suoraan ha/h ja ajonopeus ilmoitetaan muodossa km/h, saadaan yhtälö 3.2. q t = A t = bs t = bvt t = bv (3.1) q t = b[m]v[km/h] 10 (3.2) q t b v työsaavutus työkoneen työleveys ajonopeus Esimerkki 15. Peltoa äestetään 4,5 m leveällä äkeella ja ajonopeus on 9,5 km/h. Mikä on työsaavutus? q t = 4,5 9,5 10 = 4,3 ha/h Kun kyseessä on satoa käsittelevä työkone, kuten niittosilppuri tai leikkuupuimuri, koneen läpi kulkeva massavirta voidaan laskea työsaavutuksen ja satotason avulla. Kun sato on s ja työsaavutus on q t, saadaan koneen läpi menevä massavirta yhtälö 3.3 mukaisesti. q m = q t s (3.3) Esimerkki 16. Leikkuupuimurin työleveys on 4 m ja ajonopeus 4 km/h. Jyväsato on 3500 kg/ha. Minkälainen massavirta kulkee puimurin läpi? Jyväsadon lisäksi koneikon läpi kulkee myös oljet. Oletetaan, että olkisato on 60% jyväsadosta, jolloin koneikon läpi kulkee yhden hehtaarin alalta 5600 kg. Työsaavutus on q t = = 1,6 ha/h. Tällöin massavirta on q t =1, ha kg h ha = 8960 kg/h = 8,96 t/h. 3.2 Käytännön työsaavutus Yhtälö 3.2 antaa teoreettisen työsaavutuksen, käytännössä ei pystytä useinkaan käyttämään koko koneen työleveyttä hyväksi. Lisäksi aikaa kuluu käännöksiin päisteissä ja täyttöihin, tyhjennyksiin ja säätöihin. Todellinen työsaavutus voidaan laskea ottamalla huomioon nämä työnteon hyötysuhteella. Tyypillisesti nämä ovat % luokkaa eli todellinen työsaavutus on 60-85% teoreettisesta työsaavutuksesta [ASAE D497]. Todellinen työsaavutus saadaan kertomalla teoreettinen työsaavutus työnteon hyötysuhteella η t (työhyötysuhde, työn tehokkuus), yhtälö

26 LUKU 3. TYÖKONEET 25 q tod = q t η t (3.4) Rivityökoneiden ja kylvökoneiden todelliset työleveydet ovat koneen työleveyden suuruisia. Muilla työkoneilla ajetaan yleensä hieman edellisen ajokerran päälle. Tyypillisesti päällekkäisajo on 2-5 % eli työleveydestä käytetään hyödyksi %. Kun lasketaan todellista työsaavutusta, työleveyden vajaus pitää ottaa huomioon joko työleveyden hyötysuhteen kautta tai sitten laskemalla työsaavutus käyttäen todellista työleveyttä. Esimerkki 17. Puimurin työleveydestä käytetään hyödyksi 96 %. Mikä on edellisen esimerkin todellinen työsaavutus, kun vajaa työleveys otetaan huomioon? Koska todellinen työleveys on 0,96 4m = 3,8m, työsaavutukseksi saadaan q = 4 3,8/10 = 1,5 ha/h. Työnteon hyötysuhteeseen sisällytetään pellolla tapahtuvat työtä hidastavat toimet, kuten täytöt, tyhjennykset, päisteajot, säädöt yms. Kun nämä otetaan huomioon, saadaan pellolla tapahtuvan työn todellinen työsaavutus. Jos halutaan selvittää koko työn työsaavutus, silloin on otettava huomioon myös pellolle siirtymiset ja työssä tarvittavat kuljetukset. Näiden vaiktus voidaan laskea ajan käytön hyötysuhteen avulla eli vertaamalla työn teoreettista työaikaa työhön tarvittavaan kokonaisaikaan. Tarvittaessa kokonaisaikaan voidaan sisällyttää joko vain pellolla tapahtuvat aputyöt tai käsittely voidaan laajentaa koskemaan myös esimerkiksi koko päivää (tilaa) koskevaksi. Työjärjestelyjen hyötysuhde η t (työhyötysuhde, työn tehokkuus) voidaan laskea yhtälön 3.5 mukaisesti. η t = t t t kok (3.5) η t t t t kok työnteon hyötysuhde teoreettinen työaika työhön käytetty kokonaistyöaika Työhön käytetty kokonaisaika t kok voidaan laskea ottamalla huomioon kaikki työhön kuluvat aputyöt. Tämä voidaan voidaan tehdä esimerkiksi yhtälön 3.6 mukaisesti. Kokonaisaikaa laskettaessa pelkkään työntekoon kuluva aika on laskettava todellisen työleveyden avulla. Tämä on otettu yhtälössä huomioon jakamalla teoreettinen aika työleveyden hyötysuhteella η b. Tarkastelua voidaan laajentaa pellolta esimerkiksi koko työpäivää koskevaksi, jolloin kulkemiset talouskeskukseen ja huoltoajat yms pitää ottaa huomioon. t kok = t t η b + t i (3.6) η b t t t i työleveyden hyötysuhde teoreettinen työaika eri aputyövaiheisiin tarvittava aika Taulukossa 3.1 on tyypillisiä työhyötysuhteiden arvoja. Nämä arvot pätevät Pohjois-Amerikan olosuhteissa ja meillä esimerkiksi peltolohkot ovat pienempiä, jolloin työhyötysuhteiden arvot ovat vastaavasti alhaisempia. Taulukko 3.1: ASAE D497 standardin mukaisia tyypillisiä työn hyötysuhteita pellolla (kuljetukset ja tilakeskuksessa tapahtuvia töitä ei ole otettu huomioon) [ASAE D497] Työkone Hyötysuhteen vaihtelu % Tyypillinen hyötysuhde % Kyntöaura Joustopiikkiäes Jyrsin Kylvökone Leikkuupuimuri Pyöröpaalain Niittosilppuri Perunannostokone Lannoitteenlevitin Kasvinsuojeluruisku

27 LUKU 3. TYÖKONEET 26 Esimerkki 18. Edellisten puimuriesimerkkien käännöksiin kuluu aikaa 5 min/ha ja tyhjennykseen kuluu 10 min/ha. Mikä on työsaavutus pellolla? Puimurin teoreettinen työsaavutus oli 1,6 ha/h, silloin hehtaari kohti käytetään 1 /1,6 = 0,63 h/ha = 37,5 min/ha. Kun otetaan huomioon työleveyden vaikutus, saatiin työsaavutukseksi 1,5 ha/h eli 40,0 min/ha. Hehtaarin kokonaistyöajaksi saadaan siten: puinti + käännökset + tyhjennykset = = 55 min/ha. Työsaavutus pellolla on siten 1,1 ha/h ja työn hyötysuhde (yhtälö 3.5) on 37,5min 55min = 68%. Työsaavutus Työsaavutus on ajonopeuden ja työleveyden tulo. Työsaavutusta voidan lisätä siten leventämällä työkonetta tai lisäämällä ajonopeutta. Työssä on usein vajaita työleveyksiä ja katkoksia, jotka vähentävät työsaavutusta. Huolellisella töiden järjestelyillä näitä voidaan vähentää. 3.3 Työkoneen vetovastus ja vetoteho Työkoneen vetovoiman tarve voidaan ilmaista monella eri tavalla. Käyttäjälle tämä on usein tarpeeton tieto, koska koneiden käyttöohjeissa ilmoitetaan työkoneen tarvitseman traktorin teho. Jotta saataisiin kuva tehontarpeesta, on syytä myös tuntea vetovoiman tarve. Vetovoiman tarve voi olla seurausta siitä, että koneella käsitellään maata tai se voi olla seurausta siitä, että hinataan esimerkiksi perävaunua. Traktorin on aikaan saatava riittävä vetovoima, jotta työkoneen vetovastus voitettaisiin ja traktori pystyisi vetämään konetta. Kun työkoneen vetovastus tiedetään, yhtälön 2.12 avulla voidaan laskea traktorin vetovoima. Laskennassa pitää käyttää alle 20% luistoa, koska suurempi luisto heikentää vetohötysuhdetta ja peltoon syntyy luiston takia ajouria. Esimerkki 19. Traktorin massa on 4500 kg ja äkeen vetovastus on 12 kn. Pystyykö traktori vetämään äestä? Katsotaan kuvasta 2.9 kehävoimakertoimen arvo 20% luistolla. Kun kyseessä on normaali pelto µ= 0,45 ja vierimisvastuskertoimelle voidaan käyttää arvoa f=0,1. F t = (0, 45-0,1) ,81= 15,5 kn eli äkeen veto onnistuu tällä traktorilla ja luisto jää alle 20 %. Ratkaistaa yhtälöstä 2.12 kehävoimakerroin, µ = Ft G + f + 0, 1= 0,37. Kun katsotaan kuvasta 2.9 tätä vastaava luisto, saadaan 15%. Jos äestysnopeus on 9 km/h, vetoteho P t = 12 kn 9 3,6 m/s = 30 kw ja moottoriteho, kun k=1,7, P m=1,7 30 kw = 51 kw. = 12kN ,81N Yleinen vetovastuksen yhtälö Kun maata käsitellään (muokataan, kylvetään, jyrätään), tarvittavaan voimaan vaikuttaa maalaji ja sen kosteus, työsyvyys, ajonopeus ja työleveys. Tämän perusteella saadaan yleinen työkoneiden vetovastusta kuvaava yhtälö (yhtälö 3.7). Tätä yhtälöä käytetään Yhdysvalloissa, jossa on sikäläisille työkoneille myös taulukoituja kertoimien arvoja [ASAE D497]. Perusmuodoltaan yhtälö on hyvä, koska se ottaa huomioon kaikki työkoneen käyttämiseen tarvittavat seikat. Tätä yhtälömuotoa tarvitaan kun tehdään esimerkiksi tietokonemalleja koneiden tehontarpeista ja traktorin kuormittumisesta. Yhtälön 3.7 ongelmana on, ettei sen kertoimia ole kovin hyvin saatavilla. F t = M(A + Bv + Cv 2 )tb (3.7) F t = vetovastus [N] M = maalajista johtuva kerroin A = peruskerroin [kn/m 2 ] B = ajonopoeudesta lineaarisesti riippuva kerroin [kn/(m 2 km/h)] C = ajonopeuden neliöstä riippuva kerroin [kn/(m 2 (km/h) 2 )] v = ajonopeus [km/h] t = työsyvyys [m] b = työleveys [m] Yhtälön 3.7 käyttö ei kuitenkaan ole yksiselitteistä, koska esim. vantailla tai äkeen piikeillä on vaikea määrittää työleveyttä. Näissä tapauksissa kertoimet voidaan antaa yksikköä kohti, esim. vannasta kohti. Taulukossa 3.2 on muutamien työkoneiden kertoimien arvoja.

28 LUKU 3. TYÖKONEET 27 Työkone Taulukko 3.2: Työkoneiden vetovastuskertoimia A B C M M kn kn m 2 m 2 kn km h m 2 ( jäykkä keskijäykkä km h ) 2 maa maa M kevyt maa Kyntöaura ,5 1 0,7 0,45 S-piikki, 960 N 81 0 multamaa, 2. ajokerta 1 S-piikki, 860 N savimaa, 2. ajokerta 1 Lautasäes, 31 1, ,88 0,78 sänkimuokkaus Lautasäes, 22 1, ,88 0,78 kylvömuokkaus 1 Arvot ovat piikkiä kohti, jolloin laskuissa työleveys b=1. Esimerkki 20. Miten yhden S-piikin vetovoiman tarve muuttuu ajonopeuden funktiona? Käytetään laskuissa savimaan arvoja, nopeudella 6 km/h ja 10 cm työsyvyydellä saadaan: F t =(860 N m +347 N m km/h 6+0) 0,1 m = 294 N/piikki. Ajonopeuden ollessa 10 km/h saadaan vastaavasti 433 N/piikki. Ajonopeuden lisääminen lisää vetovastusta. Tämän perusteella pelkästään energian kulutusta ajatellen alhainen ajonopeus olisi suositeltava. Vastaavat moottoritehot yhtä piikkiä kohden ovat, P m =1,7 294N 6 3,6 m/s = 0,8 kw ja P m = 1,7 433N 10 3,6m/s = 2,0 kw Vetovastus profiilin alaa kohti Ajonopeuden vaikutus on normaalilla työnopeusalueella usein vähäinen ja sen takia työkoneen vetovastus voidaan ilmoittaa muokkauskoneilla käsitellyn maan poikkiprofiilia kohden. Tämä tarkoittaa sitä, että muuttujina on työleveys ja työsyvyys eli yhtälön 3.7 B- ja C-kertoimet ovat nollia ja annetaan vain kerroin A. Esimerkiksi maan kyntövastus voidaan ilmoittaa tällä tavalla. Käsitelty poikkileikkausala saadaan silloin auran työleveyden ja työsyvyyden mukaan kuvan 3.1 mukaisesti, A=b t. Kuva 3.1: Kynnön poikkileukkausprofiili Esimerkiksi kynnössä maa voidaan tämän perusteella jakaa taulukon 3.3 mukaisesti kolmeen eri luokkaan. Luokittelu kuvaa myös maalajeja eli kevyen vetovastuksen maita ovat turve- ja multamaat ja raskaan savimaat. Vastukseen vaikuttaa maalajin lisäksi maan kosteus. Etenkin savimaan vastus muuttuu paljon kosteuden muuttuessa. Taulukko 3.3: Maan luokittelu kyntövastuksen mukaan Maa Vastuskerroin A kn m 2 Kevyt Keskiraskas Raskas

29 LUKU 3. TYÖKONEET Vetovastus työleveyttä kohti Monasti ajonopeuden ja työsyvyydenkin vaikutus jätetään huomioimatta ja ilmoitetaan vain kuinka suuren vetovoiman työkone tarvitsee työleveyden metriä kohden, taulukko 3.4. Tästä voidaan laskea koko koneen tarvitsema vetovastus, yhtälö 3.8. Tämä laskentatapa ei ota huomioon nopeuden eikä myös työsyvyyden vaikutusta. Vastusarvot on annettu tavanomaisille työnopeuksille ja -syvyyksille. F t = F l b (3.8) F t F l b vetovastus vetovastus työkoneen leveyttä kohti työkoneen leveys Taulukko 3.4: Työkoneiden vetovastusarvoja Työkone tai työlaite Vetovastus kn/m S-piikki, multamaa 0,1 1 S-piikki, savimaa 0,2 1 Äkeen etulata 1 Äkeen varpajyrä 0,6 Lautasäes 0,3 1 Jyrä 1,0-1,5 1 Piikkiä tai lautasta kohti Esimerkki 21. Äkeen työleveys on 4,5 m. Piikkiväli on 8 cm ja edessä on etulata ja takana on varpajyrä. Mikä on äkeen vetovastus? Äkeen piikkien määrä on n= 4,5m 0,08m = 56 kpl, jolloin niiden vetovastus savimaalla on 56 0, 2= 11,2 kn. Etuladan vastus on 4,5 m 1kN/m = 4,5 kn ja varpajyrän 4,5 m 0,6 kn/m = 2,7 kn. Yhteensä vetovastus on 11,2 + 4,5 + 2,7 = 18,4 kn. Jos ajonopeus on 8 km/h, vetoteho on P t = 18,4 kn 8 3,6m/s= 40,9 kw ja moottoriteho (k=1,7) P m = 1, 7 40, 9kW = 69,5 kw. Monasti esitteissä työkoneen tarvitsema moottoriteho ilmoitetaan. Tästä voidaan laskea vetovastus yhtälön 3.9 avulla. Moottoritehon tarve on annettu esitteissä normaalia työnopeutta käyttäen. F l = P m k v a b (3.9) F l vetovastus työkoneen leveyttä kohti P m moottoriteho k kerroin (1,5-2,0) v a ajonopeus b työleveys Esimerkki m leveän äkeen moottoritehon tarve on 60 kw. Kuinka suuri on vetovoiman tarve työleveyttä kohti? Oletetaan, että normaali ajonopeus on 9 km/h ja k kerroin on 1,7, vetovastus on tällöin F l = 60kW 1,7 9 3,6 m/s 5m= 2,8 kn/m. Nyt voidaan arvioida kuinka suuri olisi esimerkiksi 6 m leveän äkeen vetovastus, F= 2,8 kn/m 6 m = 16,8 kn. Tästä voidaan laskea edelleen moottoritehon tarve, esim. ajonopeus on 8 km/h ja kerroin k= 1,7, jolloin P m = 1,7 16,8 8 3,6 = 63,5 kw Työkoneen vetotehon tarve Tratorin pitää saada aikaiseksi vetovastuksen suuruinen vetovoima. Työkoneen vetämiseen tarvittava vetoteho riippuu tämän jälkeen ajonopeudesta, koska vetoteho saadaan kertomalla vetovoima ajonopeudella, yhtälö Nopeuden lisääminen lisää yleensä myös vetovastusta (yhtälö 3.7) ja vetotehon tarve voi siten kasvaa nopeuden toisessa potenssissa. Traktorin suurentunutta tehoa voidaan hyödyntää kahdella eri tavalla, joko levennetään työkonetta tai lisätään ajonopeutta. Työkoneen leventäminen merkitsee myös traktorin painon lisäämistä, koska vetovoiman tarve kasvaa ja tätä voidaan lisätä painavammilla vetokoneilla. Tämä tarkoittaisi telatraktori tyyppisiä traktoreita. Kehitys on mennyt ajonpeuksien lisäämiseen, suurentunut traktoriteho hyödynnetään lisäämällä ajonopeutta.

30 LUKU 3. TYÖKONEET Hinattavat ja nostolaitekiinnitteiset työkoneet Hinattavien työkoneiden painosta kohdistuu usein osa traktorille. Esimerkiksi perävaunut ovat yksiakselisia ja aisapaino kohdistuu traktorin vetokoukkuun, kuva 3.2. Vastusvoimat voidaan laskea yhtälöiden 2.4 ja 2.5 mukaisesti. Perävaunussa tai hinattavassa työkoneessa rengastus on erilainen kuin traktorissa ja tarkemmissa laskuissa voimat pitäisi laskea erikseen traktorille ja työkoneelle. Karkeissa laskuissa traktorin ja työkoneen massat voidaan summata ja olettaa yhdistelmälle hieman huonompi vierimisvastuskerroin kuin traktorilla on. Ft Gtr Gpv Fk Fk Rte Rte Kuva 3.2: Perävaunun vedossa vaikuttavat voimat Esimerkki 23. Traktorin massa on 5300 kg ja perävaunun kg. Yhdistelmä nousee 5º rinnettä. Kuinka suuri on kokonaisvastus ja tarvittava teho? Yhdistelmän kokonaismassa on = kg. Oletetaan, että ajetaan soratiellä. Sen vierimisvastuskerroin on 0,05. Jos kyse olisi tasamaasta, kokonaisvierimisvastusvoima on F v = kg 9, 81m/s 2 0, 05= 8,2 kn. Rinteessä tulee mukaan rinnevastus eli F r = G sinα= kg 9, 81m/s 2 sin5 = 14,3 kn ja kokonaisvastus on 8,2 + 14,3 = 22,6 kn. Tarvittava moottoriteho on tällöin, jos ajonopeus on 20 km/h, P m = 22, 6kN 20 3,6m/s = 125,5 kw. Oikeastaan tämä ei vieläkään riitä, koska laskuissa ei ole otettu huomioon pyörien luistoon kuluvaa luistotehoa. Näinkin suuri vetovoima aiheuttaa jo pyörien luistoa ja siihen tarvitaan oma tehonsa. Mitä tehdään, jos traktorin moottoriteho on pienempi kuin tarvittava teho? Jos työkone on kokonaan traktorin kannattelema, esimerkiksi runkokiinnitteinen työkone tai nostolaitteisiin kiinnitetty työkone, silloin työkoneen paino lisätään traktorin painoon ja vastusvoimat lasketaan yhtälöiden 2.4 ja 2.5 avulla. 3.5 Voimanottoakselikäyttöiset työkoneet Voimanottoakselisten työkoneiden osalta osa tehosta siirretään mekaanisesti työkoneeseen. Sen lisäksi työkone, kuten jyrsin tai noukinvaunu, voi tarvita vetovoimaa ja osa sen painosta tulee traktorin kannateltavaksi. Voimanottoakselikäyttöisten työkoneiden käyttötavat voivat olla hyvin erilaiset, ne voivat muokata maata tai ne voivat käsitellä satoa. Tehontarve voidaan jakaa kolmeen erilliseen osaan, tyhjäkäyntitehoon, työleveydestä riippuvaan tehoon ja käsiteltävästä massavirrasta riippuvaan tehoon. Tällöin voimanottoakselikäyttöisille ja itsekulkeville työkoneille saadaan yhtälön 3.10 mukainen prosessointitehontarve. Prosessointitehontarpeella tarkoitetaan itse työprosessin tarvitsemaa tehoa ja siinä ei ole mukana kulkuun tai vetämiseen tarvittaavaa tehontarvetta. Koneen läpi kulkeva massavirta voidaan laskea yhtälön 3.3 mukaan [ASAE D497] ja yhtälön kertoimia on taulukossa 3.5. Tämän taulukon kertoimet on saatu meistä poikkeavissa olosuhteissa ja ne eivät kuvaa kovin hyvin meidän konekantaa. P p = P t + k v b + k m q m (3.10) P p P t k v k m b q m työkoneen prosessointitehon tarve koneen tyhjäkäyntiteho kerroin, ilmaisee tehontarpeen koneen työleveyttä kohti kerroin, ilmaisee tehontarpeen koneen läpi menevää massavirtaa kohti työleveys koneen läpi menevä massavirta

31 LUKU 3. TYÖKONEET 30 Taulukko 3.5: Työkoneen tehontarpeeseen liittyviä kertoimia [ASAE D497] Työkone P t kw k v kw/m k m kwh/t Pyöröpaalain, kiinteä kammio 2,5 0 1,8 Pyöröpaalain, muuttuva kammio 4 0 1,1 Leikkuupuimuri ,6 Niittosilppuri ,1 Lautasniittokone Sormipalkkiniittokone 0 1,1 0 Esimerkki 24. Leikkuupuimurin ajonopeus on 5 km/h ja työleveys on 3,5 m. Koneikon läpi kulkeva yhdistetty olki- ja jyvämäärä on 7 t/ha. Kuinka suuren tehon puintikoneisto tarvitsee? Työsaavutus on q t = 5 3,5 10 = 1,75 ha/h ja massavirta on q m = 1, 75 7 ha t h ha =12,3 t/h. Prosessointiteho on kw h t siten P p = 20kW + 3, 6 12, 3 t h =44,3 kw. Jos puimurin massa on 7500 kg ja vierimisvastuskerroin on 0,1, vierimisvastusvoima on 0, , 81= 7,4 kn ja liikkumisteho 7,4 5 3,6 = 10,3 kw. Kokonaistehon tarve on siten 54,7 kw. Jos suuritehoinen traktori käyttää pienitehoista voimanottoakselikäyttöistä työkonetta, silloin kulutus l/h on suuri. Suuri kulutus johtuu traktorimoottorin korkeasta pyörimisnopeudesta, jolloin moottorin kitka- ja kaasunvaihtohäviöt ovat suuret. Pienitehoisia työkoneita (esim. kasvinsuojeluruisku, pöyhin, karhoitin, niittokone) käytettäessä kannattaisi jos mahdollista käyttää pienitehoista traktoria. Työkoneen vetovastus ja -teho Työkoneen vetovastus ja vetotehon tarve riippuvat työsyvyydestä, työkoneen kunnosta, säädöistä ja ajonopeudesta. 3.6 Työkoneen koon valinta ja tehokas traktorin käyttö Valittaessa traktoriin sopivaa työkonetta on kaksi perusasiaa, jotka pitää toteutua. Traktorin pitää aikaansaada riittävä vetovoima, jotta se pystyisi vetämään työkonetta ja moottorissa pitää olla riittävästi tehoa, jotta voidaan käyttää oikeaa työnopeutta. Kolmantena perusasiana näiden jälkeen tulee kuljettaja, jonka pitää osata säätää kone oikein ja valita oikea työnopeus Vetovoiman tarve Traktorin vetovoima saadaan yhtälön 2.12 avulla ja sen pitää olla kohtuullisella pyörien luistolla (10-20%) saman suuruinen kuin työkoneen vetovastus, yhtälöt 3.7 ja 3.8. Loppujen lopuksi vetovoimassa on kysymys traktorin painosta. Mitä suurempi paino on, sitä suurempi on vetovoima. Jos vetovoima jää liian pieneksi, sitä voidaan korjata lisäpainojen avulla, kunhan traktori ei uppoa peltoon, jolloin vastusvoimat kasvavat suuriksi. Esimerkki 25. Traktorin massa on 4800 kg ja siihen valitaan sopivaa lautasäestä kylvömuokkausta varten. Kuinka leveä lautasäes siihen voidaan valita? Normaaliolosuhteissa kehävoimakerroin on 0,4 ja vierimisvastuskerroin 0,1. Tällöin vetovoima on F t = (0,4-0,1) ,81 (yhtälö 2.12) = 14,1 kn. Tämän vetovoiman traktori aikaansaa normaalilla pellolla, kun pyörien luisto on 15%, kuva 2.9. Lautasäkeen vetovastus voidaan laskea yhtälön 3.7 avulla. Otetaan keskijäykkä maalaji ja käytetään taulukon 3.2 kertoimia. F t = 0, 88 (22+1, 1 8) 0, 06 b= 14,1 b= 14,1 1,6 = 8,6 m. Traktori pystyy painonsa puolesta vetämään 8,6 m äestä kun nopeus on 8 km/h ja työsyvyys on 6 cm Moottoritehon tarve ja polttoainetalous Jos traktori pystyy painonsa perusteella vetämään työkonetta, moottoriteho ratkaisee millä nopeudella työ on mahdollista tehdä. Moottoriteho voidaan laskea yhtälön 2.21 avulla kun vetoteho on ensiksi laskettu.

32 LUKU 3. TYÖKONEET 31 Esimerkki 26. Edellisen esimerkin traktorin moottoriteho on 81 kw. Millä nopeudella traktori pystyy vetämään äestä? Lasketaan ensiksi mikä on traktorin vetoteho. Oletetaan yhtälön 2.21 kertoimeksi k=1,7, jolloin vetotehoksi tulee P t = 81 Pt 1,7 = 48 kw. Kun vetovastus oli 14,1 kn, nopeudeksi saadaan, v = F t = 48 14,1 = 3,4 m/s = 12,2 km/h. Alunperin vetovastus laskettiin ajonopeudelle 8 km/h eli traktorin teho riittää hyvin sen vetämiseen. Itse asiassa voitaisiin käyttää suurempaakin nopeutta kuin 8 km/h, jos vain työn jälki pysyy hyvänä. Ajonopeutta lisättäessä myös äkeen vastus kasvaa ja ilmeisesti n 10 km/h nopeuden kohdalla teho voisi alkaa rajoittamaan työtä. Äkeen vetovastus ei vielä lisääntyisi niin paljoa, että luisto kasvaisi merkittävästi. Työntekoa voitaisiin myös optimoida käyttämällä traktorissa lisäpainoja. Niillä saataisiin viritettyä työntekoa niin, että voimantarve ja tehontarve osuisivat samoihin kohtiin (samaan nopeuteen). Pieni vetovastus tai pieni vetotehon tarve eivät tarkoita aina pientä polttoaineen kulutusta. Traktorin moottorin hyötysuhde muuttuu usein enemmän kuormituksen muuttuessa kuin vetotehon tarve muuttuu nopeuden lisääntyessä. Tämän seurauksena pienentynyt vetoteho voikin aiheuttaa laskettaessa polttoaineenkulutusta pinta-alaa kohti (l/ha) suurentuneen kulutuksen. Kuvassa 3.3 on esimerkki ajovaihteen vaikutuksesta työsaavutukseen ja polttoaineen kulutukseen. Kuvasta näkyy, että työsaavutuksen (ha/h) huipun ja kulutuksen minimi (l/ha) ovat eri ajovaihteilla. Tämä johtuu tässä esimerkissä siitä, että ajonopeuden lisääntyessä vetovastus ja sitä kautta pyörien luisto lisääntyy, jolloin luistoon kuluva hukkateho lisääntyy ja polttoainetalous heikkenee. Kuvan esimerkissä 7. vaihteen luisto on 16 % ja seuraavan jo yli 20 %. Jotta peltoon ei tulisi uria, 8. vaihde ja sitä suuremmat vaihteet voivat jättää peltoon uria. Jos ajovaihde on kovin pieni, nähdään, että kulutus l/ha kasvaa. Tämä johtuu siitä, ettei moottori kuormitu täysin ja sen hyötysuhde on huono. Kuva 3.3: Esimerkki työsaavutuksesta ja polttoaineenkulutuksesta Lisäpainot Vetoteho on P t = F t v a ja vetovoima (4-veto) on F t = (µ f)g = (µ f)mg. Lasketaan kuinka suuri massa tarvitaan 1 kw vetotehoa varten. Edellä olevista yhtälöissä P t merkataan 1 kw suuruiseksi ja kun käytetään perusyksikköä, se on 1000 W. Tällöin saadaan yhtälö 3.11, joka ilmaisee tarvittavan traktorin massan vetotehon (g=9,81 m/s2 ). Moottoritehon täytyy olla 1,5-2 -kertainen vetotehoon nähden (yhtälö 2.21), jolloin moottoritehon suhteen laskettaessa luku jaetaan tällä kertoimella ja saadaan yhtälö yhtä kilowattia kohti m = 1000 (µ f) g v m = 1000 (µ f) g v k (3.11) Kuvassa 3.4 on esimerkki traktorin painon ja moottoritehon suhteesta tavanomaisella pellolla (kuva 2.9). Jos traktori on kevyempi kuin kuvan käyrästö antaa, silloin koko moottoritehoa ei pystytä hyödyntämään, vaan traktorin renkaat luistavat ennenkuin koko moottoriteho on käytössä. Liian suuri paino taasen aiheuttaa suuren vierimisvastusvoiman ja sitä kautta tehonhukan. Lisäpainojen avulla traktorin paino voidaan virittää kutakin työtä varten. Lisäpainojen ja etenkin takalisäpainojen asentaminen on kuitenkin hankalaa ja tämän takia sitä ei yleensä tehdä.

33 LUKU 3. TYÖKONEET 32 Kuva 3.4: Traktorin painon ja moottoritehon suhde normaaliolosuhteissa Esimerkki 27. Vetohyötysuhde on suurimmillaan 15% luiston paikkeilla. Kuvan 2.9 mukaan normaalilla pellolla kehävoimakerroin on tuolloin 0,4. Vierimisvastuskerroin on 0,1. Kuinka paljon traktorissa tarvitaan painoa, jotta tämä tilanne saavutetaan, kun työnopeus on 2 m/s (7,2 km/h) ja kerroin k=1,7? Yhtälön 3.11 avulla ratkaistaan tarvittava paino-tehosuhde, m = 1000W (0,4 0,1) 9,81 m s 2 2 m s 1,7= 100 kg/kw. Kuvaan 3.5 on kerätty traktoreiden paino-tehosuhteita. Keskimäärin suhde on 66 kg/kw ja arvojen hajonta on 10 kg/kw. Kuvan mukaisesti hajontaa on etenkin pienillä traktoreilla ja paino-tehosuhde alenee traktorikoon suurentuessa. Kuva 3.5: Traktoreiden paino-tehosuhteita [Nebraska tractor test reports, OECD Tractor test reports] Työkoneen käytön laskentaohjelma Traktorin ja työkoneen yhteensovittamista ja eri vaihtoehtojen kokeilua varten on tehty yksinkertainen laskentaohjelma. Se on ladattavissa esim. sivustolta Ohjelma on Excel pohjainen ja sen käyttöä varten on oma ohjeensa Traktorin polttoainetalouden testaus Trakitoreille on kehitetty normaalin suoritusarvomittauksen lisäksi peltotyötä kuvaavia testejä. Yksi tällainen on saksalaisen DLG:n (Deutsche Landwirtschafts- Gesellschaft, ) kehittämä PowerMix testaus traktoreille. Siinä mitataan polttoaineen kulutus, kun traktorin vetokuormitusta, voimanottoakselikuormitusta ja hydraulista kuormitusta muutetaan ohjelmallisesti käytännön työtilanteita jäljittelevällä tavalla. Testi tehdään kaikille traktoreille täsmälleen samalla tavalla ainoastaan skaalaten ohjelma traktorin moottorin tehoa vastaavaksi. Täten eri traktoreiden polttoaineen kulutusta ilmaisevat luvut (g/kwh) ovat vertailukelpoisia keskenään.

34 LUKU 3. TYÖKONEET Traktorin ja työkoneen energian tarve Hyvin toimivalta traktori-työkoneyhdistelmältä vaaditaan kaksi perusasiaa. Traktorin on pystyttävä vetämään työkonetta ilman, että pyörien luisto tulee liian suureksi ja traktorissa on oltava riittävästi moottoritehoa, jotta traktori jaksaa vetää työkonetta oikealla työnopeudella. Suuri luisto aiheuttaa tehotappioita ja renkaiden kaivautuessa maahan myös urien muodostumista (kappale 2.3.2). Tämä tarkoittaa sitä, että traktorilla on riittävästi massaa työkoneen vetämiseen (yhtälö 2.11) ja että renkaat ovat kunnossa eli niiden pito on hyvä. Massan lisäämisen ongelmana on suurentunut vierimisvastusvoima ja maan tiivistymisriski. Yleensä kuitenkin vetovoima suurenee enemmän kuin vierimisvastusvoima, jolloin lisäpainoista on hyötyä. Olosuhteet ja maan kosteus vaihtelevat eri aikoina tehdyissä töissä, josta johtuen traktorin ja työkoneen sovitus harvoin saadaan aivan optimaaliseksi. Työn tekeminen ja energiatalous riippuvat tämän jälkeen kuljettajasta. Uusimmissa portaattomilla vaihteistoilla varustetuissa traktoreissa traktorin oma järjestelmä voi säätää traktorin toimimaan taloudellisesti. Työkoneen kuormituksen muutoksen vaikutus on selvästi pienempi tekijä kuin traktorin hyötysuhteen muutos kuormituksen muuttuessa. Jos esimerkiksi kuvan 2.3 moottoritehon tarve on 60 % nimellistehosta, tämä teho saadaan pienimmillään ominaiskulutuksen ollessa 208 g/kwh ja suurimmillaan 240 g/kwh. Kulutus voi olla siten 15 % suurempi kun moottori ei toimi polttoainekulutukseltaan parhaalla alueella. Mitä pienempiä tehoja traktorista tarvitaan, sitä suuremmaksi tämä erotus tulee. Suureen kulutukseen ja huonoon hyötysuhteeseen on helppo päästä, ajetaan aina kaasuvipu täysin auki. Kuvassa 3.6 on esimerkki miten traktoriin tulevaan polttoaineen energia jakaantuu. Moottorin hyötysuhteet ovat parhaimmillaa 30% luokkaa ja kun katsotaan kaikki työketjun häviöt, polttoaineen energiasta saadaan työkoneella tehtävään työhön muutettua 15%, muu osa energiasta hukkaantuu. Kuva 3.6: Esimerkki traktorin polttoainetehon jakautumisesta Moottoria käyttää polttoaineen palamisesta syntyvä paine, joka saa männät liikkeelle. Moottorissa on myös häviöitä, kuten männän ja sylinterin välinen kitka sekä työkierrossa joudutaan pumppaamaan palamisilmaa moottoriin ja palamisen jälkeen pakokaasut moottorista pois. Dieselmoottorissa tämä työ on lähes sama riippumatta moottorin käyttötehosta. Kun tehontarve on pieni häviöt ovat suhteessa suuremmat ja moottorin taloudellisuus on huono. Tämä johtaa kolmanteen perusasiaan, joka vaikuttaa etenkin polttoaineen kulutukseen eli kuljettajaan. Kuljettaja päättää miten traktoria ajetaan. Kuljettaja myöskin päättää työkoneen säädöistä, jotka myös vaikuttavat tehon tarpeeseen. Polttoainetaloutta tarkasteltaessa yhtälö 3.7 kertoo jo mitkä asiat vaikuttavat siihen: Maalaji ja myös maan kosteus Ajonopeus Työsyvyys Työleveys Näiden lisäksi kuljettaja vaikuttaa polttoainetalouteen seuraavasti: Valitsemalla ajonopeuden ja työsyvyyden Säätämällä työkonetta Valitsemalla työvaihteen ja moottorin nopeuden Pitämällä traktorin ja työkoneen kunnossa

35 LUKU 3. TYÖKONEET 34 Valitsemalla renkaat ja säätämällä rengaspaineet Tässä kappaleessa tarkastellaan työkoneiden vetovoiman ja -tehon tarvetta sekä miten sitä voitaisiin vähentää Työsyvyys Yhtälön 3.7 mukaisesti työsyvyyden lisääminen vaikuttaa lineaarisesti vetovastukseen. Käytännössä työsyvyys vaikuttaa etenkin kynnössä nousevasti vastukseen. Kyntöantura on normaalisti cm syvyydessä ja tämän alittaminen nostaa monasti kyntövastusta runsaasti. Kuvassa 3.7 on esimerkki kyntövastuken muuttumisesta työsyvyyden muuttuessa. Kuvasta näkyy kuinka kyntövastus kasvaa progressiivisesti kyntösyvyyden lisääntyessä. Työsyvyys pitäisi valita tehtävän työn ja olosuhteiden mukaisesti. Liian syvä työsyvyys aiheuttaa aina liian suurentuneen vastuksen ja tehon tarpeen. Kuva 3.7: Esimerkki työsyvyyden vaikutuksesta kyntövastukseen [Ahokas 1994] Kuvassa 3.8 on esitetty multamaalla ja savimaalla ajonopeuden ja työsyvyyden vaikutus yhden S-piikin vetovastukseen. Savimaalla vastus on ollut lähes kaksinkertainen multamaahan verrattaessa. Tämä tarkoittaa myös kaksinkertaista tehon tarvetta ja energian tarvetta. Ajonopeuden vaikutus on ollut selvästi pienempi kuin työsyvyyden vaikutus. Suuri työsyvyys lisää vetovastusta, tehon tarvetta ja energian tarvetta. Kuva 3.8: Ajonopeuden ja työsyvyyden vaikutus S-piikin vetovastukseen Esimerkki 28. Kyntönopeus on kuvan 3.7 tapauksessa 7 km/h ja työsyvyys muuttuu 18 cm syvyydestä 25 cm syvyyteen. Kuinka paljon vetoteho kasvaa? Nopeus 8 km/h on 8/3,6 = 2,2 m/s. Katsotaan kuvasta vastusvoimat. 18 cm kohdalla vastus on 6 kn ja 25 cm kohdalla 11 kn. Vastaavat vetotehot ovat P 18cm =6 2,2 = 13,2 kw ja P 25cm =11 2, 2= 24,2 kw. Vetotehon tarve lisääntyi siten 83 %. Kuvassa 3.7 on myös mitattu polttoaineen kulutus. Se lisääntyy kuvan mukaan lukemasta 13 l/ha lukemaan 17 l/ha eli lisäys on 31 %. Polttoaineen kulutus ei lisäänny yhtä voimakkaasti kuin teho, koska traktorin kuormittuessa enemmän sen polttoainetalous paranee. Äestyksessä piikeillä on kriittinen työsyvyys, jonka alittaminen ei enään murusta maata, vaan siirtää sitä sivuun ja aiheuttaa maan tiivistymistä, kuva 4.4. Tämä aiheuttaa suurentuneen vastuksen muttei enään tehosta

36 LUKU 3. TYÖKONEET 35 muokkausta. Liian syvä muokkaus aiheuttaa siten suurentuneen tehon- ja energiantarpeen ja lisäksi tiivistää maata Ajonopeus Ajonopeuden vaikutus riippuu työkoneesta ja yhtälön 3.7 mukaan kertoimet B ja C voivat saada arvon tai ne ovat nollia. B-kerroin ilmaisee, että vastus muuttuu lineaarisesti ajonopeuden kasvaessa. C-kerroin vastaavasti vastuksen kasvun nopeuden neliössä. Taulukoista 3.2 nähdään, että s-piikin vastus riippuu nopeudesta lineaarisesti ja kyntöauran nopeuden neliöstä. Kynnössä auran siiven muoto vaikuttaa kertoimeen. Pienimmillään se on kokoruuvisiipisessä aurassa. Kuvassa 3.9 on esitetty ajonopeuden vaikutus kyntövastukseen, työsaavutukseen ja polttoaineenkulutukseen. Kun ajonopeus muuttuu 3 km/h nopeudesta nopeuteen 10 km/h, kyntövastus on lisääntynyt 25% ja kulutus l/ha on pysynyt lähes samana. Työsaavutus on kolminkertaistunut, koska ajonopeuskin on kolminkertaistunut. Ajonopeus ei ole tässä tapauksessa vaikuttanut paljoakaan kulutukseen l/ha. Kuva 3.9: Ajonopeuden vaikutus kyntöön [Ahokas 1994] Terien ja vantaiden vaikutus maanmuokkauksessa Maassa eteenpäin liikkuva terä aiheuttaa sen edessä olevaan maahan puristusjännityksen, joka johtaa maan murtumiseen sekä terän edessä että sivuilla, kuva Tämä aikaansaa maan muokkautumisen. Piikki vaikuttaa sivusuunnassa n 45 º kulmassa, jolloin vaikutus sivusuunnassa kumpaankin suuntaan on työsyvyyden suuruinen. Mitä lähempänä viereiset piikin ovat toisiaan, sitä matalammaksi jää muokkaamattoman kannaksen korkeus (mitta h kuvassa 3.10). Tihentämällä piikkijakoa saadaan tasaisempi muokkauspohja. Äkeen tukkeutumisvaaran takia tämä johtaisi kylläkin äkeen pidentämiseen, koska piikit pitäisi jakaa useammalle akselille. Muokkaamalla maa kahteen kertaan ristikkäiseen suuntaan ajettuna saadaan muokkaamaton kannas myös pienenemään. γ Kuva 3.10: Piikin vaikutus maahan Piikin asento vaikuttaa sekä vetovastukseen, piikin maassa pysymiseen että muokkaustulokseen. Kuvassa 3.11 on esitetty piikin asennon vaikutus sen vetovastukseen ja pystyvoimaan. Kun kulma on pieni, piikki on melko vaaka-asennossa ja sen vetovastus on pieni ja toisaalta se pyrkii koko ajan syvemmälle maahan (pystyvoima on positiivinen). Äkeen tukielimet (esim. pyörät) estävät liiallisen työsyvyyden. Tälläinen piikki toimii vantaan tapaan eli se nostaa maata ylös. Kun piikki nostetaan pystyasentoon, vetovastus lisääntyy ja pystyvoima pienenee. Kun kulma on 70º tai enemmän, pystyvoima muuttuu negatiiviseksi eli maa lähtee kannattamaan piikkiä. Piikki pysyy tällöin maassa vain jos äes on riittävän painava. Pystypiikki ei nosta maata ylös vaan murtaa ja sekoittaa sitä.

37 LUKU 3. TYÖKONEET 36 Loivassa kulmassa oleva piikki tai vannas tarvitsevat selvästi pienemmän vetovoiman, mutta äestyksessä on tärkeintä hyvä lopputulos. Sen kannalta piikki pitäisi olla melko pystyssä asennossa. 400,0 350,0 300,0 250,0 α Voima N 200,0 150,0 100,0 50,0 0, ,0-100,0 Teräkulma α Kuva 3.11: Piikin asennon vaikutus piikkivoimiin Työkoneiden varustus Äskeisissä kappaleissa on tarkasteltu äkeiden osalta vain piikkien vaikutusta vetovastukseen. Äes voidaan varustaa lisävarusteilla tai oikeastaan siinä tarvitaan aina vähintään tukielimet. Lisäksi niissä voi olla etulataa, varpajyriä, jälkihara yms varusteita, jotka lisäävät myös vetovastusta. Ahokas ja Mikkola [Ahokas ja Mikkola 1986] selvittävät näiden vetovastuksia ja saivat, että varpajyrän vetovastus oli 0,6 kn/m, ladan 1,2-1,3 kn/m ja neljän tukipyörien 0,06-0,1 kn/m. Varusteiden vastus voi olla huomattava ja äkeiden suunnittelussa ja valinnassa pitää muistaa myös niiden osuus. Esimerkki 29. S-piikkiäkeen työleveys on 4,5 m ja piikkiväli on 10 cm. Lisäksi siinä on edessä etulata ja takana varpajyrä. S-piikin vetovastus on 250 N/piikki, etuladan 1,2 kn/m, varpajyrän 0,6 kn/m ja tukipyörien 0,8 kn/m. Mikä on äkeen vetovastus? = 45 kpl piikkejä ja kokonaisvetovastus on tällöin 45 kpl 250N/piikki = 11,3 kn. Etuladan vastus on 4,5m 1, 2kN/m = 5,4 kn. Varpajyrän vastus on 4,5m 0,6 kn/m = 2,7 kn. Varustuksen vetovastus on siten 5,4 + 2,7 + 0,8 = 8,9 kn eli sen osuus on suuruusluokaltaan samassa luokassa kuin pelkkien piikkien vastus. Äkeen piikkimäärä saadaan selville leveydestä ja piikkivälistä, 4,5m 0,1m Maalaji ja maan kosteus Yhtälössä 3.7 on mukana myös maalajikerroin ja taulukon 3.2 mukaisesti esimerkiksi kynnössä maalaji voi yli kaksinkertaistaa vastuksen (M=0,45 tai M=1). Maalajin lisäksi maan kosteus vaikuttaa etenkin savimailla vastukseen ja sen vaikutus on suuruusluokaltaan sama kuin maalajinkin. Maalajin vaikutus näkyy myös kuvasta 3.8, jossa savimaan vastus on selvästi multamaata suurempi Työkoneiden säädön vaikutus Työkone pitää säätää ennen työn alkua. Vähintäänkin joudutaan säätämään työsyvyys, mutta sen lisäksi äkeissä on lisälaitteiden, kuten etuladan säätö. Kuljettaja säätää aina työsyvyyden ja samalla valitsee epäsuorasti työkoneen vastuksen suuruuden. Työsyvyys pitäisi säätää tehtävän työn ja esimerkiksi muokattaessa tai kylvettäessä myös maan kosteuden mukaan. Kyntöauran säätö on monipuolisin, siinä auran asento joudutaan säätämään oikein. Nämä säädöt vaikuttavat koneen toiminnan lisäksi vetovastukseen. Esimerkiksi auran säätäminen niin, että siivet painavat voimakkaasti viiluja lisää voimakkaasti kyntövastusta ja vähentää auralta traktorille tulevaa painonsiirtoa, jolloin seurauksena on suurempi pyörien luisto, kuva Väärä säätö aiheuttaa helposti useiden kymmenien prosenttien vastuksen, tehon ja kulutuksen muutoksen Työkoneen kunnon vaikutus Maanmuokkauskoneissa ja silppuavissa laitteissa terien kunto vaikuttaa vastukseen ja tehon tarpeeseen. Kuvassa 3.13 on esimerkki uusien ja kuluneiden auran terien vaikutus painonsiirtoon ja vetovastukseen. Vetovastukseen terien kunto ei ole vaikuttanut, mutta painonsiirto on alle puolet siitä mitä se on käytettäessä teräviä teriä.

38 LUKU 3. TYÖKONEET 37 Kuva 3.12: Auran sivukallistuksen vaikutus kyntövastukseen. + tarkoittaa että auran siipi on kallistettuna viilua vasten ja - merkki viilusta poispäin. [Ahokas ja Mikkola 1986] Yleensä tylsät terät lisäävät myös vetovastusta, tämä riippuu myös terän asennosta. Jos terän päästökulma häviää kulumisen takia, silloin terän kanta hankaa maata vasten aiheuttaen lisävastusta. Kuva 3.13: Uusien ja kuluneiden terien vaikutus kyntöauran painonsiirtoon ja vetovastukseen [Ahokas ja Mikkola 1986] Renkaiden vaikutus Renkaat vaikuttavat merkittävästi traktorin ja työkoneiden käyttöön. Yhtälön 2.12 mukaisesti vetovoima riippuu sekä renkaiden pidosta että niiden vierimisvastusvoimasta. Lisäksi renkaiden pintapaine on tärkeä tekijä pellon tiivistymisen kannalta. Vetävät maatalousrenkaat ovat nykyisin lähinnä vyörenkaita. Työkoneiden renkaat ovat suurelta osalta ristikudosrenkaita, mutta myös ne ovat muuttumassa vyörenkaiksi. Vyörenkaiden etuna on joustavampi runkorakenne, jolloin pintapaineet ovat pienempiä ja tasaisempia sekä vierimisvastukset ovat alhaisempia. Vetävän vyörenkaan pito on myös ristikudosrengasta selvästi parempi. Vyörenkaiden ongelmana on ristikudosrenkaita heikommat renkaiden sivut, jolloin maastossa ja metsässä niiden pistokestävyys ei ole yhtä hyvä kuin ristikudosrenkailla. Maan lujuus ja kantavuus Maaperän lujuus on merkityksellinen sekä puristuskestävyyden (kantavuuden) että maanmuokkauksen kannalta ja maansiirtotöiden kannalta. Kun maan kantavuus ylitetään ajoneuvot uppoavat maahan ja kun maata käsitellään riittävän voimakkaasti saadaan maa murustumaan. Ennen kuin maan kantavuus ylitetään on voitu jo vahingoittaa maan rakennetta tiivistämällä sitä, jolloin huokostilavuus pienenee ja kasvin hengitys sekä juurien eteneminen vaikeutuvat. Maan lujuus poikkeaa kiinteiden aineiden, kuten esimerkiksi terästen lujuudesta siinä, että maan kosteus, tilavuuspaino ja partikkelikoko vaikuttavat lujuuteen. Maamuruset eivät ole samalla lailla mekaanisesti sidoksissa kuin metallien atomit ovat, vaan ne voivat liukua toistensa suhteen, jolloin myös kitkavoimat vaikuttavat. Myöskin maata koossa pitävä sisäinen voima, koheesio, riippuu kosteudesta ja maalajista.

39 LUKU 3. TYÖKONEET 38 Maalle voidaan kuormitustavasta johtuen määrittää erilaisia lujuusominaisuuksia. Puristuslujuus mitataan kuormittamalla maapalasta puristavalla voimalla. Leikkauslujuus mitataan leikkaamalla maanäyte toisistaan poispäin liikkuvissa astioissa. Renkaan tai telan pito perustuu maan leikkauslujuuteen, Renkaan rivat uppoavat maahan ja kun renkaan kehänopeus on ajonopeutta suurempi, rengas luistaa ja lähtee leikkaamaan ripojen väliin jäävää maakannasta. Renkaan pito perustuu pellolla suurimmaksi osaksi tähän maan leikkaamiseen. Leikkaamisen lisäksi renkaan ja maan välillä on kitkaa. Kovalla alustalla kun rivat eivät uppoa maahan pito perustuukin pelkästään kitkaan. Maan leikkausvoima kasvaa siirtymän lisääntyessä. Tämä tarkoittaa, että luiston lisääntyessä myös renkaan pito paranee. Luisto on siten välttämätön paha, sitä tarvitaan pidon takia, mutta samalla energiaa tuhlautuu renkaan luistamiseen. Renkaan pito riippuu silloin luistosta kuvan 2.9 mukaisesti. [ASAE D497] l Kuva 3.14: Renkaan pito perustuu ripojen välisen maan leikkaamiseen Maan kosteus vaikuttaa sekä leikkauslujuuteen että puristuskestävyyteen. Jos renkaan pintapaine on suurempi kuin maan kantavuus, rengas uppoaa maahan aiheuttaen urautumista. Sitä ennen voi jo tapahtua maan tiivistymistä, vaikka pellolla ei ole näkyvissä selviä uppoumia. Kuvassa 3.15 on esimerkki renkaan aiheuttamista paineista pellolla. Rengaskuorman kasvaessa paine maan sisällä ulottuu syvemmälle ja leveämmälle alalle. Maan pehmetessä sen kantokyky heikkenee ja paineet kohdistuvat entistä syvemmälle ja kapeammalle alueelle. Kuva 3.15: Esimerkki renkaan aiheuttamasta paineesta maan sisässä kun renkaan kuormitus muuttuu. Ilman tehtävänä renkaassa on kuorman kanto ja renkaan tehtävänä on ilman pitäminen renkaassa. Renkaan pidon kannalta pitäisi voida käyttää alhaisia paineita ja joustavia renkaita. Tällöin rengas koskettaa maahan pitkältä matkalta ja pehmeästi tasaisesti jakaantuneella pintapaineella ja useampi ripa on silloin yhtaikaa vetämässä. Mitä vahvempi renkaan kudosrakenne on, sitä suurempia rengaspaineita ja suurempia kuormituksia voidaan käyttää. Rungon vahventaminen tuo mukanaan jäykemmän rakenteen, jolloin ilmatila ei enää yksinään kanna kuormaa, vaan renkaan sivut kantavat osan siitä. Rengaspaine vaikuttaa renkaan pitoon siten, että paineen alentaminen parantaa pitoa. Suurentunut jousto parantaa myös renkaan puhdistuvuutta ja tarttuvilla mailla rengas pysyy paremmin puhtaana. Koska renkaassa oleva ilma kantaa kuorman, pintapaine on ideaalisessa

40 LUKU 3. TYÖKONEET 39 tapauksessa rengaspaineen suuruinen. Kun otetaan huomioon renkaan rungon kantama osa, pintapaine saadaan lisäämällä rengaspaineeseen kudospaine. Kudospaineet ovat maatalousrenkaissa 0,1-0,5 bar luokkaa. Jotta pellon pinta säilyisi ehjänä, pitää suosia alhaisia paineita. Maan tyypillisiä kantavuuksia on esitetty taulukossa 3.6. Jotta renkaan uppoaminen vältettäisiin rengaspaineiden pitäisi olla alhaisempia kuin mitä maan kantavuus. Taulukko 3.6: Maan kantavuuksia Maalaji Kantavuus bar Kuiva hiekka 1,5-2,5 Kostea savi 2-3 Märkä savi 0,5-1,5 Renkaan koon vaikutus Maatalousrenkaille voidaan asettaa seuraavia perusvaatimuksia: Vetäville renkaille hyvä pito Kaikille renkaille pieni vierimisvastus Mahdollisuus käyttää alhaisia rengaspaineita, jolloin pintapaineet ovat alhaisia Kuva 3.16: Maan kulkukyvyn ennustamiseen käytetty penetrometri Renkaan kokoa voidaan tarkastella lähtien liikkeelle maan kulkukyvyn ennustamisesta. Koneiden kulkukyvyn mittaamiseen on kehitetty yksinkertainen menetelmä. Se perustuu kartion työntämiseen maahan ja työntövoimasta voidaan laskea tarvittava työntöpaine. Kuvassa 3.16 on esitetty tälläinen penetrometrilaite. Kuvassa 3.16 on myös esimerkki mittaustuloksesta. Penetrometrin tunkeuman paine on ollut melko tasainen aina 20 cm syvyyteen asti. Sen jälkeen tarvittava voima on lisääntynyt eli maa on selvästi kovempaa cm alueella. Liikkumiskykymittausten lisäksi penetrometria käytetään runsaasti maatalousmaiden tutkimuksissa. Saatu tunkeumapaineen (cone-index) arvo kuvaa useasti karkeasti maan tilaa ja tiivistymiä, mutta sen käyttö varsinaisena selittävänä muuttujana ei useinkaan anna hyviä tuloksia. Renkaan kulkukykyä määritettäessä käytetään 15 cm syvyyteen työnnetyn kartion työntövoiman keskiarvoa koko työntömatkalta. Tämä pätee silloin kun rengas uppoaa korkeintaan 7,5 cm. Jos rengas uppoaa enemmän, silloin käytetään suurimman renkaan uppouman ja 15 cm syvyyden välisen voiman keskiarvoa. Jos rengas uppoaa tätäkin enemmän, mittaus on ulotettava vielä syvemmälle ja kokemusperäisesti on etsittävä sopivin menetelmä. Mittaus tehdään ennen liikennöintiä, koska maa tallaantuu ja tiivistyy ajettaessa. Mittaukset täytyy tehdä melko tiheään, koska mittaus on täysin pistemäinen. Eri paikkojen väliset vaihtelut ovat melko suuret, mutta lopputuloksena saatava ennuste on melko hyvä. Eri kovuisia maalajeja varten kartio voidaan vaihtaa pienemmäksi tai suuremmaksi. Keskiarvovoima jaetaan kartion pinta-alalla, tulos ilmoitetaan yleensä käyttäen paineen yksikkönä. Tämän arvon mukaan maatalousmaat voidaan jakaa taulukon 3.7 mukaisesti. Kun maan cone index arvo on tiedossa, voidaan laskea renkaan kehävoimakertoimen ja vierimisvastuskertoimen ennusteet. Ensiksi lasketaan renkaan liikkuvuusluku, yhtälö C n = CI b d R (3.12)

41 LUKU 3. TYÖKONEET 40 Taulukko 3.7: Maan luokittelu Cone Index arvon mukaisesti Maa Cone Index arvo kpa Märkä ja pehmeä maa 200 Kuiva ja pehmeä maa 400 Märkä savimaa 500 Kuiva sänkipelto 1000 C n = renkaan liikkuvuusluku b = renkaan leveys d = renkaan halkaisija R = rengaskuorma Tämän jälkeen voidaan laskea kehävoimakerroin ja vierimisvastuskerroin, yhtälöt 3.13 ja Nämä yhtälöt pätevät kun renkaan poikkeleveyden suhde halkaisijaan on n 0,3. Kirjallisuudesta löytyy useita ja edellisiä tarkempia malleja, esim. ASAE D497 [ASAE D497]. µ = 0, 75 ( 1 e 0,3 Cn s) (3.13) f = 1, 2 C n + 0, 04 (3.14) Kuvassa 3.17on esimerkki siitä, miten renkaan koko vaikuttaa sen ominaisuuksiin. 1 m halkaisija riittää tässä tapauksessa pieneen vierimisvastukseen, mutta jos rengas on vetävä tarvittaisiin mieluusti 1,5 m kokoinen rengas. Kuva 3.17: Esimerkki renkaan koon vaikutuksesta kehävoima- ja vierimisvastuskertoimeen Esimerkki 30. Lietelantavaunun rengaspaino on 2000 kg ja vaunun halutaan liikkuvan helposti kuivalla ja pehmeällä pellolla. Minkäkokoiset renkaat siihen kannattaa valita? Kuivan ja pehmeän pellon cone index arvo on 400 kpa. Malli pätee kun renkaan leveys on 0,3 sen halkaisijasta, otetaan halkaisijaksi 1m, jolloin leveys on 0,3 m kg rengaspaino on kuormana n 20 kn (2000 kg 9,81 m/s 2 400kP a 0,3m 1m ). Lasketaan renkaan liikkuvuusluku, C n = 20kN = 6,0. Koska rengas ei ole vetävä, meitä ei kiinnosta kehävoimakerroin, vaan vierimisvastuskerroin f= 1,2 6,0 + 0, 04= 0,24. Tämän suuruinen vierismisvastuskerroin merkitsisi hieman heikkoa kulkukykyä, joten lasketaan asia toisin päin. Kohtuullinen liikkuminen saadaan aikaiseksi kun f=0,15. Tästä seuraa, että liikkuvuusluku yhtälöstä 3.14 ratkaistuna on C n = 1,2 f 0,04 = 1,2 0,15 0,04 = 10,9. Tämän jälkeen lasketaan yhtälöstä 3.12 tarvittava halkaisija käyttäen leveydelle arvoa 0,3 d. d = CnR CI 0,3 = 6,0 30kN 400kP a 0,3 = 1,2 m. Kuvassa 3.18 on esimerkki puimurilla tehdystä liikkumiskokeesta. Normaalirengastuksella ( ) pyörien luisto on ollut 20% paikkeilla eli renkaat ovat jo kaivaneet uraa peltoon. Kun puimuriin on vaihdettu vyörenkaat

42 LUKU 3. TYÖKONEET 41 (18.4R26a ja 18.4R26b) luisto on ollut 10% paikkeilla. Samoin erikoisleveä rengas (600/ ) ja parirenkaat ( ) ovat vähentäneet luiston myös 10% paikkeille. Reilusti suurempi halkaisija ( ) on vähentänyt luiston muutaman prosentin luokkaan, jolloin puimurin kulkukyky on moitteeton. Kuva 3.18: Leikkuupuimurin eturenkaiden vaikutus pyörien luistoon liejusavella ja multamaalla [Mäkelä ja Laurola 1990] Rengaspaine Rengaspaine vaikuttaa pintapaineen lisäksi sekä vetovoimaan että vierimisvastusvoimaan. Jotta pintapaine olisi alhainen, tarvitaan alhainen rengaspaine, silloin renkaat eivät uppoa maahan. Kun renkaan uppouma on pieni, myös vierismisvastus on pieni. Renkaan ilmanpaineen vähentäminen lisää renkaan joustoa ja tämä aikaansaa pidemmän kosketuspituuden. Jos kuvan 3.14 renkaan kosketuspituus lisääntyy, samalla useampi ripa on vetämässä ja renkaan kehävoima suurenee eli pito paranee. Kuvassa 3.19 on koetulos rengaspaineen vaikutuksesta traktorin vetovoimaan ja vetohyötysuhteeseen. Kun maantiepaine (1,4 bar) vaihdetaan peltoapaineeksi 0,8 bar, hyötysuhde paranee 10 %-yksikköä eli samalla myös energiatehokkuus paranee saman verran. Rengaspaine vaikuttaa myös renkaan puhdistuvuuteen. Kova rengas ei jousta ja se ei puhdistu samalla lailla kuin joustava rengas. Sallitun rengaspaineen määrää renkaan kuormitus ja ajonopeus. Ongelmaksi tulee usein maantiellä kulkemisen ja peltotyön erilaiset painevaatimukset. Lisäksi rengaskuormat on monasti hankala määrittää ja siksi oikean rengaspaineen valinta on hankalaa.

43 LUKU 3. TYÖKONEET 42 Kuva 3.19: Rengaspaineen vaikutus vetovoimaan ja vetohyötysuhteeseen [Elonen ym 1995] Renkaan pintakuvio Renkaan ripojen tehtävänä on upota maahan ja saada pito maan sisästä. Kun renkaan kehänopeus on ajonopeutta suurempi eli rengas luistaa, rivat pyrkivät leikkaamaan (kuorimaan) maata. Renkaan pito perustuu tähän. Rivotus menee vinosti renkaan kehän yli, jotta sillä olisi myös hyvä sivuttaispito. Täysin poikittain olevat rivat (vrt telaketju) eivät anna sivurinteessä sivuttaispitoa. Ripojen tiheyteen ja muotoon vaikuttaa myös renkaan puhdistuvuus ja kestävyys. Ripavälin pitäisi olla avaran, jotta se puhdistuisi. Pyörimissuunta vaikuttaa myös renkaan puhdistuvuuteen ja kestävyyteen. Normaalisti renkaan keskellä oleva rivan kärki koskettaa ensin maahan, tällöin ripojen välissä oleva maa työntyy renkaasta ulospäin ja rengas puhdistuu. Jos pyörimissuunta vaihdetaan (rengas käännetään toisinpäin), rivat työntävät maata alleen ja rengas puhdistuu huonosti. Kovalla alustalla kestävyys menee toisinpäin eli normaalisti asennetun renkaan ripojen kärki ottaa ensin alustaan kiinni ja rengas kuluu rivan kärjestä nopeasti. Jos kuvio on toisinpäin, silloin rivan ulkoreunat koskettavat ensin alustaan ja kestävyys on parempi. Kääntämällä renkaan kuviointi saadaan aikaiseksi parempi kestävyys ja pehmeällä alustalla huonompi pito. Jos kuljetusajoa on runsaasti, silloin kannattaa käyttää palarenkaita. Reckleben ym [Reckleben yml 2013] vertasivat traktorin maatalousrenkaita ja vastaavan kokoisia teollisuusrenkaita (palarenkaita). Kokeessa käytettiin kolmea samanlaista traktoria, joihin oli asennettu maatalousrenkaat tai palarenkaat. Palarenkaita oli vielä kahta eri kokoa. Traktoreita käytettiin heinän pöyhintään, säilörehun kuljetukseen, paalauksen ja kuljetuksiin. Maatalousrenkaiden kestoikä oli n 3000 tuntia, kun taasen palarenkaiden kestoikä oli n 9000 tuntia. Traktoreiden polttoainekulutukset on esitetty kuvassa Palarenkailla polttoaineen tuntikulutus oli alhaisempi kuin maatalousrenkailla. Palarenkailla suurempi koko vielä oli polttoainetehokkaampi kuin pienempi rengaskoko. Palarenkaat ovat hyvät niin kauan kuin olosuhteet ovat hyvät. Märällä pellolla rengaskuvio ei enään toimi kunnolla ja pito on heikompi normaaliin maatalousrenkaaseen verrattuna.

44 LUKU 3. TYÖKONEET 43 Kuva 3.20: Traktorin rengastuksen vaikutus polttoaineenkulutukseen [Reckleben yml 2013] Traktorin ja työkoneiden käyttö Työkoneen oikealla koolla traktoriin nähden voidaan vaikuttaa polttoainetalouteen. Traktorin vetokykyyn voidaan vaikuttaa lisäpainoilla. Työsyvyyden kasvaessa vastus ja energian tarve kasvavat. Käytä vain työhön tarvittavaa työsyvyyttä Ajonopeus lisää vastusta ja energian käyttöä. Toisaalta vastuksen kasvu kuormittaa traktorin moottoria paremmin ja se toimii polttoainetaloudellisemmin. Monesti moottorin hyötysuhteen paraneminen on suurempaa kuin vastuksen aiheuttama tehontarpeen lisäys. Maalaji ja maan kosteus vaikuttavat työkoneiden vastukseen ja traktorin kulkukykyyn. Pitämällä koneet hyvässä kunnossa ja säätämällä ja käyttämällä niitä oikein voidaan vähentää polttoaineen kulutusta. Käyttämällä oikeankokoisia renkaita joissa on työhön soveltuvat rengaspaineet voidaan säästää polttoaineen kulutuksessa 3.8 Polttoaineen kulutus kuljetuksissa ja siirtymissä Yleistä Maataloudessa kuljetuksia on runsaasti. Siemenet ja lannoitteet on kuljetettava pellolle, sato on tuotava sieltä pois ja koneet, laitteet ja ihmiset on myös kuljetettava työpaikalle ja takaisin. Suomen viljasato on vuosittain milj. kg, säilörehusato on milj. kg ja muu sato on 2000 milj. kg. Maidontuotanto on milj. litraa ja lihantuotanto milj. kg. Lannoitteita käytetään vuosittain milj. kg. Kaikkien näiden aineiden kuljetuksissa on useita vaiheita ja esimerkiksi peltotuotannossa lähdetään tai lopetetaan kuljetus peltolohkolla. [Maataloustilasto 2012] Maatalouteen liittyvien kuljetusten osuus koko maan kuljetuksista on arvioitu esim. Ruotsissa 12% koko maan kuljetusmäärästä [Ljungberg 2006] ja Saksassa maatalouteen liittyvien kuljetusten on arvioitu olevan runsaampaa kuin maan koko rautatiekuljetus yhteensä [Götz et al 2011]. Suurimmat kuljetusmäärät on karjataloudessa. Saksassa tutkittiin 92 maatilan kuljetuksia [Bernhardt ja Weise 2001] ja suurin kuljetusmäärä tuli lannan kuljetuksista. Kaikista kuljetusmääristä 32 % oli joko kuiva- tai lietelantaa. Seuraavina tuli tuorerehun ja heinän kuljetus 22 %. Kolmanneksi suurimpana on viljasadon kuljetus 17%. Tämä kuljetustarve näkyy meillä myös traktoreiden vuotuisissa käyttömäärissä. Karjatiloilla käyttömäärät ovat selvästi viljatiloja suuremmat. Materiaalia kuljetetaan maatilan sisäisissä kuljetuksissa yleensä traktori-perävaunu yhdistelmällä ja ulkoisissa kuljetuksissa kuorma-autolla. Esimerkiksi viljan kuljettaminen alkaa, kun vilja on puitu ja lastattu leikkuupuimurin säiliöstä kuljetusvälineen lavalle. Vilja siirretään ensin pellolta kuivurille, jonne se myös varastoidaan. Varastosta vilja otetaan omaan käyttöön, kuljetetaan kauppaliikkeen varastoon tai viljan loppukäyttäjälle. Kuljetuksissa pyritään hyödyntämään kuljetusvälineen koko kapasiteetti, koska se on taloudellisinta ja minimoi kuljettamiseen tarvittavan ajan. Ajaminen täysillä kuormilla on myös energiataloudellisinta, koska itse kuljetusvälineen liikuttamiseen tarvitaan energiaa, vaikka kuormaa ei olisikaan. Kun kaluston liikuttamiseen

45 LUKU 3. TYÖKONEET 44 tarvittava energiapanos jaetaan kuljetettaville kiloille, niin sen osuus kokonaisenergiapanoksesta on suurempi kuljetettaessa vajaata kuormaa kuin kuljetettaessa täyttä kuormaa. Vajaita kuormia joudutaan kuitenkin ajamaan eri syistä, mutta pyrkimyksenä on kuljetuskapasiteetin täysi hyödyntäminen. Kuljetuskapasiteetin hyödyntämistä edesauttaisi ajo kuormattuna paluumatkalla. Käytännössä paluu ajetaan kuitenkin useimmiten tyhjänä, koska kuljetustarpeet ovat erilaisia ja ajoittuvat eri aikoihin. Ajaminen kuormalla molempiin suuntiin jää siksi teoreettiseksi haaveeksi. Kuljetuksen energiankulutukseen vaikuttavat kapasiteetin käyttöasteen lisäksi kuljetukseen käytettävä kalusto, tiestön kunto, ajonopeus sekä kuljettajan ajotapa. Traktorilla voidaan teoriassa kuljettaa yhtä suuria kuormia kuin kuorma-autolla. Määräykset perävaunun suurimmasta sallitusta painosta ja akselipainoista (Asetus ajoneuvojen käytöstä tiellä 1257/1992) eivät tätä rajoita. Perävaunun paino saa enimmillään olla kolme kertaa traktorin painoinen, kun perävaunussa on traktorin jarrupolkimesta säätyvät jarrut. Teoriassa traktori-perävaunuyhdistelmän massa saavuttaisi lain salliman 60 tonnin kokonaispainon, kun traktorin paino olisi 15 tonnia. Suurimmat Suomessa myytävät traktorit painavat 11 tonnia ja niitä saa lisäpainottaa enintään kolmasosan traktorin rekisteriin merkitystä omamassasta. Lisäpainojen kanssa suurimmat traktorit painaisivat siis 14,3 tonnia. Jos markkinoille tulee omamassaltaan yli 11,6 tonnin traktoreita, niin niitä voidaan lisäpainottaa siten, että 15 tonnin kokonaispaino saavutetaan. Jos traktori painaa 15 tonnia, perävaunu tulisi painaa kuormineen 45 tonnia, jotta kokonaispaino olisi suurin sallittu 60 tonnia. Akselipainot kuitenkin rajoittavat näin suuren yksittäisen perävaunun käyttöä. Vaikka perävaununa olisi vankkuri, jossa on kääntyvä etuakseli ja toisena akselistona kolmiakselinen teli, niin niiden yhteenlaskettu akselipaino voisi olla enimmillään 34 tonnia. Traktoriin voidaan kuitenkin kytkeä samanaikaisesti kaksi perävaunua (vankkuria), jolloin suurimmat sallitut akselipainot eivät ylity. Yhdistelmä olisi laillinen, jos perävaunuissa olisi traktorin jarrupolkimesta säätyvät jarrut. Yhdistelmällä pystyisi tuskin kuljettamaan yhtä suurta hyötykuormaa kuin kuorma-autolla, koska kahden vankkurin yhteispaino kuormineen saisi olla 45 tonnia. Painomääräysten ylärajalle trimmattu traktori-perävaunuyhdistelmä häviäisi kuljetuskapasiteetissa kuorma-autolle, sen tienopeus olisi hitaampi ja se olisi hyvin vaikeasti hallittava käytännön liikennetilanteissa. Traktorista ei siis ole kuorma-auton voittajaksi raskaissa pitkän matkan kuljetuksissa. Kuljetuksen energiankulutus ilmaistaan kulutettuna polttoaine- tai energiamääränä tonnikilometriä kohden (esim. kwh/t/km). Tämä tarkoittaa energiamäärää, joka tarvitaan, kun 1000 kiloa tavaraa siirretään kilometrin verran. Kulutettu polttoainemäärä tonnikilometriä kohden voidaan tarvittaessa muuttaa energiamääräksi tonnikilometriä kohden, kun polttoaineen energiasisältö tunnetaan. Tarvittava polttoainemäärä saadaan silloin yhtälön 3.15mukaisesti. q V = A M L (3.15) q V = polttoaineen kulutus [l] A = kuljetuksen ominaiskulutus [ l M = kuorman massa [t] L = kuljetusmatka [km] Kuva 3.21 esittää kuorman suuruuden vaikutuksen kuorma-auton polttoaineenkulutukseen jakelu- ja maantiesykleissä [Nylund ym 2005]. Maantiesykli on koeoloja varten määritelty tapa kuormittaa kuorma-auton moottoria tiekuljetusta simuloivassa polttoaineenkulutusmittauksessa. Muita syklejä ovat jakelusykli ja moottoritiesykli. Jakelusyklissä kiihdytyksiä on enemmän ja keskinopeus on alempi kuin muissa sykleissä. Kuvasta 3.21 voidaan todeta kulutuksen pienenenevän tonnikilometriä kohden kuorman kasvaessa ja ajon muuttuessa jakelusta maantieajoksi. Kuvasta näkyy myös kulutukset 100 km kohden. Lukemista on muistettava, että auton ominaisuudet vaikuttavat myös kulutukseen ja siten kyseessä on lähinnä kulutksen suuruusluokat. Polttoaineenkulutus suurenee, kun traktorilla ajetaan maanteiden sijasta päällystämättömillä tilusteillä. Itä- = 0,9 kw h t km ajettaes- valtalaisen lähteen mukaan [Ermittlung der Kraftsoffverbrauch 2005] kulutus oli 0,092 sa säilörehua, lantaa, viljaa tai vastaavaa tavaraa pellon ja talouskeskuksen välillä. Kulutus oli kaksinkertainen maantiekuljetukseen verrattuna. Traktorikuljetuksia analysoitaessa olisikin hyvä erottaa ainakin pelto- ja maantieajon polttoaineenkulutus samaan tapaan kuin kuorma-autokuljetuksissa erotetaan jakelu-, maantie- ja moottoritiesyklit. Yhtälö 3.15 antaa arvion kulutuksesta kuorman massan perusteella. Kuvan 3.21 mukaan polttoaineen kulutus kuorma-autokuljetuksissa oli g/(t km) ja traktorilla maantienopeuksilla g/(t km). Kun otetaan huomioon kuorman koko, niin traktorilla pystytään kuljettamaan yhtä pienellä energiamäärällä alle 15 tonnin kuormia kuin kuorma-autolla. Kuljetuksen energiankulutus on kuitenkin selvästi pienempi kuljetettaessa tätä suurempia kuormia kuorma-autolla. Taulukossa 3.8on esitetty eri kuljetusvälineiden polttoaineen kulutusarvoja kuljetuksissa. Esimerkki 31. Traktorilla kuljetataan 7 t viljakuorma 50 km päähän. Kuinka paljon tähän kuluu polttoainetta? l q V = 0,092 t km 7t 50km= 32 l. t km ] l t km

46 LUKU 3. TYÖKONEET 45 0,200 0,175 0, t puoliperävaunu l/(t km) 18 t jakeluauto l/(t km) 18 t jakeluauto l/100km 42 t puoliperävaunu l/100km Kulutus l/(t km) 0,125 0,100 0,075 0,050 0, Kulutus l/100km 0, Kuorma tonnia Kuva 3.21: Kuorma-auton kuorman koon vaikutus polttoaineenkulutukseen. Jakeluauton kulutus on määritetty jakelua simuloivalla syklillä ja puoliperävaunun maantiesyklissä [Nylund ym 2005] Taulukko 3.8: Polttoaineen ominaiskulutuksia eri kuljetusvälineitä käytettäessä[fluck and Baird 1982] Kuljetusväline Ominaiskulutus kw h t km Laiva 0,1-0,2 Rautatie 0,1-0,3 Kuorma-auto 0,4-1,3 Lentokone 0,3-8, Polttoaineen laskennallinen kulutus Lähdekirjallisuus ei kerro onko taulukon 3.8 lukemiin otettu mukaan myös paluumatkat, jotka usein tehdään tyhjänä eikä se myöskään anna lukemia pelkille siirtoajoille. Lähdetään sen takia katsomaan asiaa teoreettisesti. Traktorin tai ajoneuvon liikkumiseen tarvittava teho saadaan vierimisvastuksen F v (yhtälö 2.4) ja rinnevastuksen F r (yhtälö 2.5) sekä ajonopeuden avulla: P = (F v + F r ) v (3.16) Traktorin nopeuden oletetaan olevan sen verran alhainen, ettei ilmanvastusta oteta huomioon. Matkaan käytetty energiamäärä saadaan kertomalla matka kestoajalla ja polttoaineen kulutus kertomalla tämä taasen moottorin ominaisikulutuksella. Ongelmana on ominaiskulutuksen määrittäminen, koska se riippuu moottorin kuormittamisesta. Esimerkki 32. Traktorin massa on 5 t ja perävaunun 3 t. Perävaunussa on 8 t kuorma. Mikä on polttoaineen kulutus soratiellä? Helpotetaan esimerkkiä niin, että oletetaan tien olevan vaakasuoran, jolloin mäkivastus voidaan jättää pois. Yhdistelmän kokonaismassa on 16 t ja soratien vierimisvastus on 0,05 (taulukko 2.2). Vierimisvastus voima on 0, kg 9,81 m/s 2 = 7,8 kn. Jos traktorin nopeus on 40 km/h, tehoksi saadaan 7,8 40/3,6 = 87,2 kw. Otetaan traktorin ominaiskulutukseksi 300 g/kwh. Kulutus on tällöin 87kW 300g/kWh = 26,1 kg/h eli 31,4 l/h. Jos halutaan saada selville kulutus sataa kilometriä kohden, niin 40 km/h nopeudella siihen kuluu 100/40 = 2,5 h ja polttoainetta tarvitaan 2,5 31,4 = 79 l. Melkoinen kulutus verrattuna vaikka dieselhenkilöautoon. Jos kyseessä olisi asfalttie, vierimisvastuskerroin olisi 0,02 ja tehontarve olisi 35 kw. Tätä vastaava ominaiskulutus on n 350 g/kwh, jolloin tarvittaisiin 37 l polttoainetta sataa km kohden. Arvioipa miten mäet vaikuttaisivat kulutukseen? Traktorin tai itsekulkevan työkoneen polttoaineen kulutus ajettua kilometriä kohden voidaan arvioida seuraavasti. Moottorin kulutus g/h saadaan kertomalla teho ominaiskulutuksella q g/h = P q om. P on moottorilta otettava teho ja q om on sitä vastaava ominaiskulutus. Oletetaan, että voimansiirron hyötysuhde on hyvä eli sen arvo on 1. Tällöin moottoriteho on sama kuin yhtälön 3.16 vetoteho. Jos kyseessä ei ole täysin mekaaninen voimansiirto, silloin hyötysuhde kannattaa myös ottaa huomioon. Suurimpana epävarmuustekijänä laskuissa on kuitenkin moottorin ominaiskulutus. Siitä meillä on vain jonkinlainen arvio, jolloin voimansiirron todellisella hyötysuhteella ei ole paljoakaan merkitystä. Laskenta edyllyttää myös ettei vetävät pyörät luista kovasti. Tiekuljetuksissa on näin, peltoajossa tilanne on toinen. Pellolla kuljettu matka on yleensä lyhyt, jolloin sen merkitys on pieni. Kun äskeinen yhtälö jaetaan ajonopeudella km/h, saamme kulutuksen ajettua km kohden, q g/km = q g/h v. Kun otetaan huomioon yhtälö 3.16, saadaan kulutukseksi ajettua km kohden [g/km]:

47 LUKU 3. TYÖKONEET 46 q kg/km = (F v + F r ) q om (3.17) 3600 Tasaisella maalla F r = 0 ja F v = fg. Ominaiskulutusta voidaan arvioida seuraavasti, kevyt moottorin kuormitus g/kwh, kohtuullinen kuormitus g/kwh ja raskas kuormitus g/kwh. Perävaunun koko suhteessa traktoriin vaikuttaa ominaiskulutukseen. Jos isossa traktorissa on pieni perävaunu kiinni, kuormitus on lähes aine kevyttä. Esimerkki 33. Traktori painaa 6 tonnia ja perävaunu tyhjänä 3 tonnia. 8 tonnin kuorma kuljetetaan asfalttitietä 25 km päähän. Paljonko tähän kuluu polttoainetta? Asfalttitiellä vierimisvastuskerroin on 0,02, jolloin tyhjänä tarvitaan 0, ,81 = 1,8 kn voima. Kuormattuna vastaavasti voima on 3,4 kn. Oletetaan tyhjänä ajettaessa 350 g/kwh kulutus ja kuormattuna 300 g/kwh. Tyhjänä ajettaessa kulutus on 1,8 350/3600 = 0,18 kg/km. Kuorman kanssa kulutus on 3,4 300/3600 = 0,28 kg/km. Dieselöljyn tiheys on 0,83 kg/l, jolloin kulutus on tyhjänä 0,22 l/km ja kuormattuna 0,34 l/km. Tyhjänä ajettaessa matkaan kuluu 5,5 l ja kuormattuna 8,5 l, yhteensä 14 l. Jos sama asia lasketaan yhtälön 3.15 avulla ja käyttäen peltokuljetuksen lukua 0,092 l/(t km), saadaan 18,4 l. Miksi traktori on tehottomampi kuljetuksissa kuin kuorma-auto. Tähän on kolme perussyytä. Traktori on tehty vetämään työkoneita, jolloin siinä on suhteessa paljon enemmän massaa kuin vastaavan tehoisessa kuormaautossa. Toiseksi, kuorma-autot on tehty nopeaa ajoa varten ja niiden vaihteistojen avulla moottorin kierrokset saadaan alhaisiksi ja ominaiskulutukset myös sen ansiosta alhaisiksi. Kolmanneksi, traktorin renkaat on tehty peltotöitä varten ja ne eivät ole hyvät kovalla pinnalla ajettaessa Mitattuja polttoaineen kulutuksia Kuvassa 3.22 on esimerkki Valmet traktorin polttoaineen kulutuksesta maantieajossa mäkisellä asfalttitiellä, kun ajossa on käytetty kahta eri vaihdetta ja täyttä kaasua tai alennettuja kierroksia [Ahokas ja Mikkola 1986]. Tässä kokeessa kulutus oli l/100 km. Jos moottorin kierroksia hieman alennetaan ajettaessa, silloin kulutus oli 5-6 % alempi. Kuvan 3.22 koe tehtiin mäkisessä maastossa. Koe tehtiin myös tasaisilla teillä, silloin kulutus oli l/100 km eli lähes 20% alhaisempi. Kuormaan suhteutettuna saadaan kulutukseksi mäkisellä tiellä 0,022-0,025 l/tkm ja tasaisella tiellä 0,019-0,020 l/tkm. Traktorin moottorin kierrosluvun alentaminen täyskaasusta on käytännön maantieajossa harvinaista, koska suuremmalla nopeudella säästettyä aikaa pidetään usein arvokkaampana kuin säästettyä polttoainetta. Uusimpien traktoreiden vaihteistot on jo rakennettu siten, että traktorin suurin sallittu nopeus saavutetaan täyttä kaasua alemmalla kierrosluvulla, jolloin polttoaineen säästäminen maantieajossa on täysin mahdollista. Kuva 3.22: Esimerkki maantiekuljetuksen polttoaineen kulututuksesta mäkisellä osuudella. Kokonaismassa oli kg. Moitzi ym [Moitzi et al 2008] testasivat 92 kw traktoria ja kaksiakselista perävaunua, jossa oli 16,5 tonnin rypsikuorma. Kuvassa 3.23 on kokeiden tuloksena saatu ajonopeuden vaikutus polttoaineen kulutukseen. Kun traktorilla pyritään ajamaan mahdollisimman kovaa, moottorin hyötysuhde on huono ja siitä johtuu, että kulutus lisääntyy suuria nopeuksia käytettäessä. Tutkijat päätyivät suositukseen, jonka mukaan kuljetuksissa kannattaisi käyttää moottorin nopeutta, joka on % moottorin nimellisnopeudesta. Jos moottorin nimellisnopeus on /min, tämä tarkoittaisi /min moottorin nopeuksia. Göetz et al [Götz et al 2011] vertasivat teholtaan 140 kw traktoria liikennetraktoriin ja rekka-autoon samalla 36,6 km reitillä. Polttoaineen kulutus vaihteli l/100 km kohden. Pienimmillään kulutus oli ilman kuormaa ajettaessa ja suurimmillaan täydellä kuormalla. Kun tämä suhteutetaan hyötykuormaan saadaan 0,02-0,04

48 LUKU 3. TYÖKONEET 47 0,060 0,050 0,040 Kulutus l/(t km) 0,030 0,020 0,010 0, Ajonopeus km/h Kuva 3.23: Ajonopeuden vaikutus polttoaineen kulutukseen, 16,5 tonnin kuorma perävaunussa [Moitzi et al 2008] l kw h t km (0,3-0,5 t km ). Rekka-auto ja liikennetraktori kuluttivat vähiten ja tavallinen maataloustraktori eniten. Suuruusluokaltaan koneet vastasivat jo pidemmän kuljetusmatkan ajoa, ei esim. tiluskuljetuksia. Seufert ym [Seufert yml 2002] vertasivat perävaunun matala- ja korkeapainerenkaita. Maantiellä korkeapainerenkaat kuluttivat 7% vähemmän polttoainetta. Pellolla tilanne oli toisinpäin, matalapainerengas kulutti 16 % vähemmän polttoainetta. Lisäksi korkeapainerenkaat jättivät peltoon melko syvät urat, jolloin maan rakenne kärsi tästä. Maantiekuljetuksissa kulutukset olivat tyhjänä ajettaessa l/100 km ja kuormattuna l/100 km. Pellolla kulutus oli kuormattuna l/100 km. Udompetaikul ym [Udompetaikul ym 2009] mittasivat traktorin polttoaineen kulutuksen, kun kuormana oli 10 ja 17,6 tonnin kuorma 2,5 tonnia painavassa kaksiakselisessa perävaunussa. Rengaspaineet olivat 0,6, 1,1 ja 1,6 bar. Kun rengaspaineita lisättiin polttoaineen kulutus väheni 0,6 bar verrattuna 7,3 % kun käytettiin 1,1 barin painetta ja 11,4 % kun käytettiin 1,6 bar painetta. Kun perävaunu oli tyhjänä, kulutus oli l/100 km ja kun kuormana oli 17,6 tonnia, kulutus oli l/100 km. Kun ajettiin mäkisellä tiellä, kulutus l kw h kaksinkertaistui. Hyötykuormaa kohden laskettuna kulutukset olivat 0,04 t km (0,4 t km ), kun käytettiin 10 l kw h tonnin kuormaa ja 0,03 t km (0,3 t km ), kun käytettiin 17,6 tonnin kuormaa. Suurempi hyötykuorma alensi kulutusta 25% kun kulutus lasketaan t km kohden. Traktorin ja perävaunun renkaiden ilmanpaineella on vähän vaikutusta polttoaineen kulutukseen kovalla alustalla [Ahokas ja Mikkola 1986]. Huonoissa oloissa ja pellolla ajettaessa ilmanpaineen pitäisi olla alhainen, koska silloin renkaan kosketuspinta on mahdollisimman suuri ja rengas puhdistuu hyvin. Traktorin renkaiden ilmanpaineen jatkuva säätäminen olisi kuitenkin liian työlästä ja siksi on suositeltavaa käyttää rengasvalmistajan ilmoittamaa minimi-ilmanpainetta, jolla voidaan ajaa tiellä maksimikuormituksella ja nopeudella. Jos traktorilla työskennellään yksinomaan pellolla, voidaan käyttää alempia paineita. Esimerkki 34. Viljelysuunnitelman mukaan tilalla pitäisi siirtää keväällä 400 t lietettä 25 km päähän ennen viljojen kylvöjä. Kuinka paljon tähän kuluu polttoainetta edellisen esimerkin traktorin ja perävaunun yhdistelmällä sekä puoliperävaunulliselta säiliöautolta kuvan 3.21 kulutusarvoja hyödyntäen. Edellisessä esimerkissä traktorin ja perävaunun polttoaineen kulutuksesksi saatiin menomatkalle 8,5 l ja paluumatkalle 5,5 l, joten yhteensä yksi kuorman kuljetusmatka kulutti polttoainetta 14 l. Kuvan 3.21 mukaan puoliperävaunuyhdistelmän polttoaineen kulutus täydellä 26 t kuormalla on 0,014 l/tkm ja ilman kuormaa tyhjänä 22 l/100km. Menomatkan kulutus kuorman kanssa on 0, = 9,1 l. Paluumatka kulutus tyhjänä on 22/ = 5,4 l. Yhteensä puoliperävaunyhdistelmältä kuluu polttoainetta 14,5 l yhteen siirtomatkaa täydellä kuormalla. Traktorilla ja peräkärryllä pitää tehdä 8 t hyötykuormalla 400/8= 50 ajokertaa, joten kokonaiskulutus on l = 700 l. Puoliperävaunuyhdistelmällä ajokertoja kertyy 400/26=15,4. Puolella kuormalla puoliperävaunuyhdistelmä kuluttaa polttoainetta menomatkaa 0,020 14,6 25=7,4 l. Puoliperävaunuyhdistelmän polttaineenkulutus koko siirtoajoon on 15 14,5+7,4+5,4= 230,3 l. Jos siirtomatka olisi vain 15 km, saataisiin vastaavasti traktorille kulutukseksi 420 l ja kuorma-autolla 140 l.

49 LUKU 3. TYÖKONEET 48 Esimerkki 35. Edellisessä esimerkissä laskettiin polttoaineenkulusta, kun tilalla piti siirtää keväällä 400 t lietettä 25 km päähän ennen viljojen kylvöjä. Kuinka paljon viljelijällä kuluisi aikaa siirtoajoon, jos hän tekisi työn itse lietevaunulla, jonka hyötykuorma olisi 8 t ja kuinka kauan lieterekkaurakoitsijalta menisi saman lietemäärän siirtoajaoon, jos hänellä olisi käytettävisssä puoliperävaunuyhdistelmä, jonka hyötykuorma olisi 26 t. Helpotetaan laskelmaa jättämällä säiliöiden täyttö- ja purkuajat huomioimatta oletuksella, että käytetään samanlaista leitepumppua. Traktorin keskinopeus siirtoajossa olisi 37 km/h ja puoliperävaunuyhdistelmällä vastaavasti 72 km/h. Traktorilla kulusi siirtoajoon aika /37= 67,6 h. Puoliperävaunuyhdistelmällä kuluisi siirtoajoon /72= 11,1 h. Esimerkki 36. Kuinka paljon viljelijälle jäisi aikaa yhden leitevaunullisen multaamiseen, jos hän pyrkisi multamaan lietettä pellolle samaan tahtiin kuin lieterekalla siirrettäisiin edellisissä esimerkeissä lietettä pellolla olevaan välivarastoon? Lietteen pumppausteho on 3 m 3 /min. Pellolla siirtomatkan keskipituus on 0,5 km ja ajonopeus 5 km/h. Lieterekalta menee yhden siirtoajokerran tekemiseen aikaa 2 25/72= 0,7 h eli 41 min 40 s. Täyttöön sekä purkuun kuluu aikaa 26/3=8 min 40 s eli yhteensä 41,7+8,7+8,7= 59 min. Lietekärryn ja puoliperävaunuyhdistelmän säiliöiden suhde on 26/8=3,3, joten siirtoajoon pellolla ja multaamiseen on käytettävissä aikaa 59/3,3=18,2 min. Lietekärryn täyttöön menee aikaa 8/3=2,7 min. Yhden kuorman keskimääräinen siirtoaika on 0,5/5=0,1 h eli 6 min. Lietteen multaamiseen jäisi aikaa 18,2-2,7-6=9,5 min Kuorman vesipitoisuuden vaikutus kuljetuksissa Karjataloudessa kuljetataan paljon rehua ja lantaa. Näissä kuljetuksissa kuorman vesipitoisuus vaikuttaa kuljetustarpeeseen ja polttoaineen käyttöön. Mitä enemmän materiaalissa on vettä, sitä suurempaa massamäärää kuljetetaan. Kuivaamalla materiaalia saadaan vesimäärää vähennettyä ja kuljetuksia tehostettua. Kuvassa 3.24 on esitetty tyypillisiä mitattuja kuormien kuiva-ainemääriä, kun käytössä erilaisia silppureita [TilaArtturi]. Luvuissa on melko paljon vaihtelua, koska esimerkiksi silpunpituus vaikuttaa tilavuuspainoon. Ajosilppurin osalta aineisto kattaa suppeamman kuiva-ainepitoisuusalueen kuin muilla ja sen takia käyrän muoto ei välttämättä ole oikea. Tarkkuussilppurin ja noukinvaunun osalta kuiva-ainepitoisuuden lisääntyminen lisää kuiva-ainemäärää (rehun osuutta). Tämä johtuu vähemmästä massassa olevasta vesimäärästä. Kuva 3.24: Tuorerehun kosteuspitoisuuden mukainen kuiva-ainemäärä Esimerkki 37. Noukinvaunun tilavuus on 20 m 3. Miten nurmen kosteuspitoisuus vaikuttaa kuljetuksiin? Kuiva-ainepitoisuuden ollessa 15% (85% vesipitoisuus) kuiva-ainemäärä on 45 kg/m 3 ja 50% kuivaainepitoisuudella se on luokkaa 85 kg/m 3. Kuormassa on kuiva-ainetta 15% pitoisuudella 20m 3 45 kg/m 3 = 900 kg ja 50% pitoisuudella 20m 3 85 kg/m 3 = 1700 kg. Kuiva-ainemäärä on siten lähes kaksinkertainen Yhteenvetoa kulutuksista Polttoaineen kulutukset suuruusluokat ovat hyvin selvillä, maantiekuljetuksissa traktorin kulutus on tyhjänä l/100 km ja kuormattuna kulutus lisääntyy suurimmillaan luokkaan lähes 100 l/100 km. Hyötykuormaan

50 LUKU 3. TYÖKONEET 49 l kohden laskettuna kulutus on 0,02-0,04 t km. Kuorma-autolla vastaava kulutus on parhaimmillaan 0,015-0,020 l/tkm eli 25-50% alhaisempi. Näillä luvuilla laskettaessa on otettava huomioon lisäksi yleensä tyhjänä tapahtuvat siirtymät. Traktorikuljetuksia analysoitaessa olisikin hyvä erottaa ainakin pelto- ja maantieajon polttoaineenkulutus samaan tapaan kuin kuorma-autokuljetuksissa erotetaan jakelu-, maantie- ja moottoritiesyklit. Maatilan lähikuljetuksissa talouskeskuksen ja pellon välillä korostuu kuormakoko ja sen hyödyntämisaste. Tarkasteltaessa kuvaa 3.21 voidaan todeta polttoaineen kulutuksen kasvavan tonnikilometriä kohden ajettaessa vajailla kuormilla. Energiataloudellisesti tarkasteltuna on siis järkevää hyödyntää kuljetuskaluston sallittuja kantavuuksia kuljetuksissa. Maatilan lähikuljetukset sisältävät kiihdytyksiä ja hidastuksia, joten traktorikuljetusten energiataloudellinen kilpailuky on niissä hyvä (vertaa kuvan 3.21 jakeluautoa traktorin lukemiin). Pitkissä kuljetuksissa ja etenkin lannan- ja rehunsiirroissa kuorma-autokuljetukset tulevat kilaplukykyisiksi sekä energiataloudellisesti että työajallisesti tarkasteltuna. Kuljetukset Maatalouden kuljetuksissa tulisi ajaa mahdollisimman suuria kuormia ja maantiekuljetuksissa tulisi suosia kuorma-autoja, koska niiden kuljetuskapasiteetti ja nopeus on traktoreita suurempi. Traktori on sopiva kuljetusväline lyhyillä matkoilla ja kun joudutaan liikkumaan pellolla Pidemmillä matkoilla kuorma-autoa on tehokkaampi ja se kuluttaa vähemmän polttoainetta Traktorikuljetuksissa kannattaa välttää ajoa täydellä kaasulla, vaikka kuljetusnopeus hieman alenisikin. Kuljetuksissa kulutukseen voidaan vaikuttaa seuraavasti: Kovalla alustalla käytetään mahdollisimman korkeita rengaspaineita. Pehmeällä alustalla käytetään mahdollisimman alhaisia rengaspaineita. Kuormat ovat mahdollisimman suuria. Moottorin pyörimisnopeudet pyritään pitämään alhaisina. Tuotantoa (peltolohkoja) pyritään järjestämään siten, että kuljetustarve otetaan huomioon 3.9 Tuotannonsuunnittelun vaikutus Tuotannon suunnittelu Maatilan omistaja päättää sen miten hän mitoittaa tuotannon ja minkälaisia koneita tilalle hankitaan. Tällöin päätekijöinä ovat taloudelliset seikat sekä tuotantokapasiteetti (koneiden koko). Tällä on ratkaiseva merkitys tuotannon onnistumiseen. Liian pienet koneet aiheuttavat töiden joutumisessa ongelmia ja liian suuret koneet ovat taloudellisesti kannattamattomia. Tilakoon kasvaessa oikea koneiden koko ja tuotantoketjun toimivuus ovat avainasemassa. Meillä kevätkausi ja sadonkorjuukausi ovat lyhyitä verrattuna esimerkiksi Keski-Eurooppaan. Tämä tarkoittaa suurempaa konekapasiteetin tarvetta, koska sama työ pitää meillä tehdä lyhyemmässä ajassa. Toisaalta koneisiin kertyvät käyttötunnit ovat vuosittain vähäiset, jolloin tuotantokustannukset ovat korkeampia. Oikealla tuotannon suunnittelulla vaikutetaan töiden onnistumiseen ajallaan ja sopivan kokoisilla koneilla vaikutetaan toiminnan taloudellisuuteen. Jos tässä onnistutaan, silloin myös energian käyttö tuotettua satoa kohden on yleensä alhainen Ajallisuuskustannus Töiden ajallaan tekeminen (ajallisuus) vaikuttaa satoon kuvan 3.25 mukaisesti. Jos kevättyöt tehdään liian aikaisin tai liian myöhään, kumpikin pienentävät saatua satoa. Kaikkia peltotöitä ei voida tehdä samanaikaisesti, jolloin työt joudutaan aloittamaan ennen sopivinta aikaa ja lopettamaan sopivan ajan jälkeen. Kuvan 3.25 tulokset perustuvat laajoihin koesarjoihin ja jos siitä lasketaan keskimääräinen päivittäinen tappio, se on 1,4 %/vrk. Jos satotaso on 3500 kg/ha, silloin ajallisuustappio on n 50 kg/(ha vrk). Nämä tulokset pätevät virolaisiin olosuhteiseisiin [Tamm 2009]. Ruotsalaiset vastaavat tulokset ovat kevätviljojen osalta 43 kg/(ha vrk) ja syysviljojen osalta 30 kg/(ha vrk) [Toro et Hansson 2004]. Toro & Hansson [Toro et Hansson 2004] laskevat ajallisuuskustanuksista johtuvan tappion yhtälön 3.18 mukaisesti. Ongelmana yhtälön käytössä on optimiajan

51 LUKU 3. TYÖKONEET 50 määritys. Se vaihtelee vuosittain säiden mukaan ja se on myös eri paikkakunnille ja maalajeillekin erilainen. Töiden kapasiteetin suunnittelu voidaan kuitenkin tehdä tämän avulla, koska siinä kiinnostaa vain kuinka paljon rahallista tappiota tulee, jos työt viivästyvät. Ajallisuuskerroin eli vuorokautinen satotappio riippuu paikkakunnasta, säästä ja maalajista. Y = ka( t a + 0, 5 t l ) (3.18) Y = ajallisuustappio [kg] k = ajallisuuskerroin, tappion [kg/(ha vrk)] A = pinta-ala [ha] t a = kylvöjen aloitus vrk ennen optimiaikaa t l = kylvöjen lopetus vrk optimiajan jälkeen Esimerkki 38. Tiedetään, että kevättöiden satotappio on 50 kg/(ha vrk) keväällä optimiajan ulkopuolella tehdystä kylvöstä. Kuinka suuri tappio on, jos 100 ha kylvöt aloitetaan 4 vrk ennen optimia ja lopetetaan joko 1 vk tai 2 vk optimiajan jälkeen? Mikä on rahallinen tappio, jos viljan hinta 20 centtiä/tonni? Ensimmäisen tapauksen tappio on Y 1 = 50kg ha vrk 100ha (4vrk + 0, 5 7vrk) = 37500kg ja toisen Y 2 = 100ha (4vrk + 0, 5 14vrk) = 55000kg. Rahalliset tappiot ovat vastaavasti ja kg ha vrk Tappiolla on sitä suurempi merkitys mitä korkeampi on tuotteiden hinta. Tuotteiden hinnan ollessa alhainen ajallisuudesta johtuvan tappion merkitys on pienempi. Tappiota voidaan vähentää lisäämällä konekapasiteettia. Tällöin pitää löytää optimi tappioille ja konekapasiteetin kustannuksille. Määrällisten tappioiden lisäksi tulee vielä syyskaudella sadonkorjuun laatutappioita, jotka voivat sadon arvon kannalta olla huomattavia. Nurmirehun osalta korjuuajankohta vaikuttaa sen laatuun ja myöhässä tehty korjuu alentaa rehun D-arvoa. Toisaalta myöhemmässä korjuussa satotaso on korkeampi. Konekapasiteetin on oltava riittävä, jotta saadaan korjattua hyvälaatuista rehua. Kuva 3.25: Viljasadon kylvötöiden ajallisuuskustannus. Yhtenäinen viiva kuvaa keskimääräistä arvoa ja katkoviivat vaihtelualuetta. [Tamm 2009] Konekapasiteetin valinta Konekapasiteetin valinta voidaan tehdä kun tiedetään kuinka monta työpäivää työhön on käytettävissä ja mikä on todennäköisyys sille, että sää sallii työn teon ja että koneet toimivat häiriöttä. Jos tilan kokonaispinta-ala on A ja meillä on määräaika t työ, jossa tuo pinta-ala pitää käsitellä, tarvittavaksi konekapasiteetti saadaan q ko = A t työ. Työhön käytettävissä oleva aika saadaan käytettävissä olevista työpäivistä N pv ja työhön käytettävissä olevasta päivittäisestä ajasta t pv. Kun vielä otetaan huomioon sääolosuhteet ja koneiden rikkoontumiset, voidaan puhua todennäköisyydestä k, jolla työaika on käytettävissä. Kun nämä otetaan huomioon, saadaan työajalle yhtälö t työ = N pv t pv k. Kun yhdistetään nämä yhtälöt, saadaan yhtälö q ko = A N pv t pv k q ko = tarvittava konekapasiteetti A = pinta-ala N pv = käytettävissä olevien työpäivien määrä t pv = työhön käytettävissä oleva aika työpäivän aikana k = työn onnistumisen todennäköisyys (sää, konerikot) (3.19)

52 LUKU 3. TYÖKONEET 51 Konekapasiteetin laskennassa pitää ottaa huomioon käytettävissä olevien työntekijöiden määrä. Jos kaikki työt tekee yksi henkilö, työvaiheet ovat peräkkäisiä. Jos työntekijöitä on useampi, töitä voidaan tehdä yhtäaikaisesti. Esimerkiksi kevättöissä yhden työntekijän pitäisi keretä tekemään sekä äestys että kylvö. Jos työntekijöitä on kaksi, toinen äestää ja toinen kylvää samanaikaisesti. Tällöin konekapasiteetin tarve on huomattavasti pienempi. Työhön käytettävissä oleva aika riippuu sääoloista. Taulukossa 3.9 on esitetty keskimääräisiä työhön käytettävissä olevia aikoja. Vaikka jakson pituus voi olla pitkäkin, sääolosuhteet vähentävät käytettävissä olevaa aikaa. Taulukon tulokset perustuvat pitkäaikaisiin säätietoihin ja ne edustavat keskiarvoja. Vuosittaiset vaihtelut voivat olla suuria ja myös käytettävissä oleva aika vaihtelee sen mukaan. Taulukko 3.9: Maataloustöihin käytettävissä olevia keskimääräisiä aikoja Etelä-Suomessa [Laine 1996] Työ Keskimääräinen aloituspäivä Työjakson pituus päivää Käytettävissä olevan työjakson pituus päivää Muokkaus- ja kylvötyöt 5. toukokuuta 20 9 Säilörehunkorjuu, 1. sato 8. kesäkuuta 12 6 Säilörehunkorjuu, 2. sato 27. heinäkuuta 18 7 Heinänkorjuu 27. kesäkuuta 21 4 Viljankorjuu 10. elokuuta Esimerkki 39. Tilan kevätviljapinta-ala on 100 ha ja käytettävissä on yksi työntekijä tai vaihtoehtoisesti kaksi. Kuinka suuri konekapasiteetti tarvitaan? Taulukon 3.9 mukaisesti muokkaus- ja kylvötöihin on käytettävissä keskimäärin 9 päivää. Jos lasketaan, että päivän aikana pellolla voidaan työskennellä tehokkaasti 10 h, kaikkiaan on käytettävissä 90 h. Hyvien työkoneiden luotettavuus on 95%, jolloin rikkoontumiset huomioon ottaen työajaksi jää 85,5 h. Seuraavaksi otetaan huomioon työhyötysuhde, taulukko 3.1. Kevättöille voidaan tässä tapauksessa valita 75% työhyötysuhde. Teholliseen työhön jää silloin 64,1 h aikaa. Kun kyseessä on yksi työntekijä, hänen pitää keretä sekä äestämään että kylvämään tässä ajassa ja jakamalla pinta-ala käytettävissä olevalla ajalla saadaan q ko = 100ha 64,5h = 1,1 ha/h. Äestyksen ja kylvön yhteenlasketun kapasiteetin pitää olla riittävä, jotta tunnin aikana pystytään äestämään ja kylvämään 1,1 hehtaaria. Valitaan aluksi äkeen leveydeksi 5 m ja ajonopeudeksi 10 km/h. Teoreettinen työsaavutus on 5 ha/h ja kun otetaan huomioon joustopiikkiäkeen työhyötysuhde 85%, saadaan todelliseksi kapasiteetiksi 4,3 ha/h. Jos pelto äestetään kahteen kertaan, saadaan äestettyä valmiiksi 2,2 ha/h. Koko alan äestämiseen tarvitaan 32,9 tuntia. Kylvöön jää tällöin 31,2 h ja tarvittava kapasiteetti on 2,2 ha/h. Kylvettäessä 4,0 m kylvökoneella nopeudella 8 km/h saadaan teoreettisesti aikaiseksi 3,2 ha/h. Kylvön työhyötysuhde on 70%, jolloin todellinen työsaavutus on 2,2 ha/h. Jos tilalla on kaksi työntekijää, silloin kumpaankin työhön erikseen on käytettävissä koko 64,1 h aika. Tällöin äestyskapasiteetin pitää olla kahteen kertaan äestettäessä 1,3 ha/h ja 10 km/h äestysnopeudella ei tarvittaisi kuin 3 m leveä äes ja saadaan silläkin jo pellot äestettyä 55 h aikana. Vastaavasti kylvössä tarvitaan 1,1 ha/h kapasiteetti ja nopeudella 7,5 km/h tarvittaisiin vain 2,5 m leveä kone. Esimerkki osoittaa hyvin selvästi työntekijöiden määrän vaikutuksen tarvittavaan konekapasiteettiin Koneketjut ja vaihtoehtoiset tuotantotavat Hyvin harvoin koko työ on yhden koneen tekemää. Usein on kyseessä koneketjut eli yhtä työvaihetta seuraa seuraava vaihe. Työt voidaan myös tehdä erilailla. Kylvötöissä voidaan käyttää perinteisiä menetelmiä tai siirtyä suorakylvöön, sato voidaan kuivata tai säilöä. Kaikki nämä vaikuttavat sekä kapasiteettiin, kustannuksiin ja energian käyttöön Urakointi Lähdetään katsomaan urakointia esimerkin avulla. Otetaan esimerkiksi vaikka kevättyöt. Karjatilalla on 20 ha rehuviljaa. Kevättyöt pitäisi pystyä tekemään mieluiten yhden viikon aikana. Tilalla on vain yksi työntekijä, jolloin hänen pitää tehdä kaikki työt itse. Valitaan tämän takia suorakylvö, jolloin työt on helpompi järjestää. Suorakylvöä ei tehdä suoraan sänkeen tai kynnökseen vaan pelto äestetään kertaalleen. Päivässä on 8 h tehollista työaikaa, kun kaikki tauot otetaan huomioon ja lisäksi työntekijä huolehtii karjasta. Lisäksi varataan tuolle viikolle sään puolesta 80% todennäköisyys. Tämän perusteella toukotyöt pitäisi tehdä 8 h/vrk 7 vrk 0,8 45 h aikana. Tilalla on 4 m leveä äes ja kun äestetään 9 km/h nopeudella 80 % työhyötysuhteella, saadaan työsaavutukseksi 4m 9km/h/10 0,8 = 2,9 ha/h (yhtälöt 3.1 ja 3.4) työsaavutus ja 20 ha äestämiseen kuluu n 7 h.

53 LUKU 3. TYÖKONEET 52 Suorakylvökoneen työleveys 3 m ja työnopeus 8 km/h. Työsaavutus on 60 % työhyötysuhteella 3m 8km/h/10 0,6 = 1,4 ha/h ja kylvöön kuluu aikaa 20/1,4 = 14 h. Tällä koneistuksella kylvötyöt kerkeää tekemään hyvin ja aikaa jää esimerkiksi heinämaiden hoitoonkin. Jos suorakylvökone maksaa ja sitä pidetään 10 vuoden ajan, käyttötunteja kertyy 140 h ja tuntihinnaksi tulee 221 /h ja hehtaarihinnaksi 155 /ha. Suorakylvön urakointihinta on /ha. Ostamalla kylvö urakoinnilla säästetään kustannuksia, investointeja, työtä ja polttoainetta. Suomen olosuhteissa sekä kylvökausi että sadonkorjuukausi ovat lyhyitä, jolloin konekapasiteetin pitää olla suurempi kuin esimerkiksi Keski-Euroopassa. Kertyneet konetunnit jäävät vähäisiksi ja koneet vanhenevat teknisesti enennekuin niiden käyttöikä tulee täyteen. Edellä olleessä esimerkikssä 10 vuoden aikana tuli 140 käyttötuntia. Tälläisten koneiden kestoiät ovat 2000 h luokkaa eli tällä koneella pitäisi tehdä vuosittain n 150 ha kylvöt. Keski-Euroopassa käytetään runsaasti syysviljaa ja puinnit ajoittuvat heinäkuulta lokakuuhun, jolloin käytettävissä on enemmän aikaa ja konekapasiteetti voi olla pienempi. Urakoinnilla voidaan etenkin suomalaisessa maataloustuotannossa säästää kustannuksissa ja työajassa. Urakoinnin varjopuolena on riippuvuus urakoitsijasta, jolloin säiden muuttumisen takia ei ehkä pystytä käyttämään parhainta säätä hyväksi ja seurauksena voi olla laatuhävikkejä tai sadon alenemista. Tuotannonsuunnittelu Tuotannon hyvä suunnittelu vaikuttaa töiden joutumiseen, ajallisuuteen ja talouteen. Tehokas tuotantoketju on usein myös energian käytön suhteen edullinen, koska ylimääräisiä tehtäviä siirtymisiä tai kuljetuksia on vähän Kuljettajan vaikutus polttoaineen kulutukseen Työkoneiden valinnassa ja käytössä oli kolme perusasiaa, jotka vaikuttivat työn tekoon. Traktorin piti aikaansaada riittävä vetovoima ja moottorissa piti olla riittävästi tehoa, jotta voitiin käyttää oikeaa työnopeutta. Kolmantena perusasiana oli kuljettaja, jonka pitää osata säätää kone oikein ja valita oikea työnopeus. Kuljettaja myös määrittelee sen miten traktoria käytetään. Kuvassa 3.26 on esimerkki siitä miten traktorin tehonkäyttö vaikuttaa kulutukseen. Jos esimerkiksi tarvittava teho on 40% nimellistehosta, silloin kulutus on % nimellistehon kulutuksesta. Kuljettaja vaikuttaa siihen mitä polttoaineen kulutusta hän työssä käyttää. Kyse on siitä missä kohtaa simpukkakäyrästöä traktorin kuormitus on (kuva 2.3). Jos ajetaan aina kaasuvipu täysin auki, silloin kulutus on aina suuri. Ajamalla osakaasulla ja vaihtamalla suurempi vaihde kulutusta voidaan vähentää ( Löysää kaasua, vaihda suuremmalle! ). Kuva 3.26 näyttää myös sen, että mitä vähemmän traktorin moottoria kuormitetaan, sitä suuremmaksi kulutuserot voivat tulla. Esimerkiksi, jos käyttöteho on 40% nimellistehosta, kulutus on 35-52% nimellistehon kulutuksesta. 20 l/h nimellistehon kulutuksella tämä tarkoittaisi 7-10,5 l/h kulutus. Ajamalla kaasu auki kulutus on 10,5 l/h ja löysäämällä kaasua voidaan säästää tuntikulutuksessa 30% (7 l/h). Kuva 3.26: Traktorin kuormittumisen vaikutus polttoaineen kulutukseen. Ajotavan vaikutus selviää kuvasta Siinä on tehty äestyskoe pellolla siten, että perustana on ollut traktorin 5. vaihteen työsaavutus ja polttoaineen kulutus (l/ha). Kun on käytetty seuraavaa vaihdetta (6. vaihde), työsaavutus on lisääntynyt 40% ja kulutus hehtaaria kohden on vähentynyt 20 % verrattuna edelliseen vaihteeseen. Moottori on kuormittunut enemmän ja sen hyötysuhde on parantunut, jolloin pinta-alaa kohden

54 LUKU 3. TYÖKONEET 53 kulutus on vähentynyt. Seuraavassa vaiheessa on käytetty 6. vaihdetta ja alennettu moottorin nopeutta siten, että on pyritty samaan nopeuteen 5. vaihteen kanssa. Nopeus on ollut hieman suurempi kuin 5. vaihteella ja sen takia työsaavutus on ollut muutaman prosentin parempi. Polttoaineen kulutus on nyt ollut 30% alkuperäistä alhaisempi. Oikealla ajotavalla voidaan vähentää polttoaineen kulutusta runsaasti ja kuljettaja on tässä avainasemassa. Kuva 3.27: Ajotavan vaikutus kulutukseen äestyksessä [Ahokas ja Mikkola 1986] Traktoreihin tarvittaisiin autoja vastaava polttoaineen kulutuksen näyttö. Tuntikulutus ei kerro moottorin toiminnasta paljoakaan vaan kulutus ajettua matkaa kohti tai traktorissa paremminkin tehtyä pinta-alaa kohti kertoisi paremmin kuinka paljon polttoainetta käytetään. Pinta-ala kohden oleva kulutus tarvitsee myös työkoneen työleveyden, jonka kuljettaja joutuisi syöttämään mittalaitteeseen. Traktorit, joissa on portaaton vaihteisto pystyvät itse säätymään siten, että moottori toimii polttoainetaloudeltaan sopivassa kohdassa. Tällöin traktorissa on jatkuva kulutusta minimoiva järjestelmä. Kuljettaja pitää huolta työkoneesta säätää sen ja valitsee työsyvyyden tai korkeuden. Kunnossa oleva työkone tarvitsee vähemmän käyttötehoa ja kuluttaa vähemmän polttoainetta. Terien kunnolla ja teroituksella voidaan siten säästää polttoainetta (katso kappale 3.7.7). Maan muokkauksessa tarpeettomän syvä työsyvyys tai puinnissa tarpeettoman lyhyt sänki lisäävät tehontarvetta ja polttoaineen kulutusta (katso kappale 3.7.1). Kuljettaja myös säätää työkoneen. Jos säädöt eivät ole kohdallaan, seurauksena on suurempi tehontarve ja suurempi kulutus (katso kappale 3.7.6). Rengastuksella ja rengaspaineilla vaikutetaan koneiden kulkuun ja vetokykyyn (katso kappale 3.7.8). Oikealla rangastuksella ja paineilla vähennetään maan tiivistymistä ja polttoaineen kulutusta. Kuljettajan vaikuttaa kulutukseen monasti enemmän kuin koneet. Kuljettajan vaikutus kulutukseen Kuljettaja vaikuttaa usein enemmän kulutukseen kuin traktorin tai työkoneen ominaisuudet. Polttoaineen kulutusta voidaan vähentää pienin kustannuksin huolehtimilla työkoneiden hyvästä kunnosta ja tekemällä työt oikealla tavalla ja säätämällä koneet oikein. Kuljettaja voi ajovaihteen ja moottorin pyörimisnopeuden valinnalla vaikuttaa moottorin hyötysuhteeseen. Jos traktori kulkee kevyesti kannattaa käyttää suurempaa ajovaihdetta ja alentaa moottorin kierroksia. Uudemmissa traktoreissa on mahdollista seurata kulutusta l/ha muodossa. Tämä antaa kuljettajalle hyvän palautteen ajotavasta, maan ja koneiden kunnosta ja säädöistä.

55 Luku 4 Muokkaus ja kylvö Jussi Esala Seinäjoen ammattikorkeakoulu 4.1 Traktori ja työkone Traktoritöiden polttoaineen kulutus johtuu aina useasta tekijästä. Pääryhmittelyn mukaan voidaan puhua traktorin ja työkoneen sekä käyttäjän valintojen aiheuttamasta kulutuksesta (katso kuva 1.1). Traktorista johtuvan kulutuksen taustalla ovat viimekädessä teknisistä rakenteista johtuvat hyötysuhdetekijät ja traktorin omaan kulkemiseen kulloisissakin tilanteissa kuluva energia. Nykyaikaisen traktorimoottorin hyötysuhde on parhaimmillaankin vain hieman yli 40 %, mutta jää käytännön tilanteissa useimmiten tuon alle. Useimpien traktorinmoottoreiden hyötysuhde on korkeimmillaan hieman nimellistehoa alemmilla moottorin pyörimisnopeuksilla (60 90 % nimellisnopeudesta) ja kun käytetään % moottorin momentista joka olisi tällä moottorin nopeudella tarjolla. Hyötysuhteen asemasta käytetään usein käsitettä moottorin ominaiskulutus (g/kwh), joka tarkoittaa tehtyyn työmäärään suhteutettua kulutusta. Esimerkiksi jos traktorin moottori välittää ulosottoakselin kautta 100 kw tehon tunnin ajan ja kuluttaa samalla 30 l/h (= 25 kg/h) polttoainetta on polttoaineen ominaiskulutus 25 kg/100 kwh = 250 g/kwh. Parhaimmillaan on ulosottoakselitehon mittauksissa saavutettu 210 g/kwh taso ja pelkän moottorin osalta noin 180 g/kwh. Vastaavat hyötysuhteet olisivat n. 40 % ja n. 46 %. Moottorilta voimanulosottoakselille kulkeva voimansiirtolinja ja hydrauliikan ylläpito kuluttavat sen verran polttoainetta, että hyötysuhdelukema alenee tuon 6 % -yksikköä. Koska energia on häviämätöntä, päätyy % polttoaineen energiasta lämpönä ulkoilmaan. (katso kpl 2.1) Tehonsiirto voiman ulostuloakselille tapahtuu noin 95 % hyötysuhteella ja vastaava siirto vetävien pyörien napa-akseleille monimutkaisemmasta rakenteesta johtuen hieman alemmalla hyötysuhteella. Hydraulisen tehonsiirron hyötysuhde on mekaanista alempi ja sen takia maataloustraktoreissa, joissa teho käytetään vetotehona, on mekaaniset voimansiirrot. Monet nykyaikaiset työkoneet tarvitsevat myös sähkötehon siirtoa, ja tulevaisuudessa tämä voi nousta jopa hallitsevaksi tehonsiirtomuodoksi. Myös sähköisessä tehonsiirrossa tapahtuu tehohäviöitä, mutta säädettävyyden ja mahdollisesti myös teknologisten ratkaisujen samalla helpottuessa ja yksinkertaistuessa, voi tehosiirron hyötysuhde olla varsin korkealla tasolla. Tavanomaisissa muokkaus- ja kylvötyötilanteissa lopputuloksena on, että vain noin viidennes polttoaineen muodossa moottoriin tuodusta energiasta päätyy traktorista ulos meneillään olevaan työhön loppuosan päätyessä pääasiassa ulkoilman lämmittämiseen (katso kuva 3.6). Traktorin omaan kulkemiseen tarvitaan aina osa traktorin moottorin tuottamasta tehosta. Kevyissä töissä tämä voi olla hallitseva osa polttoaineen kulutusta. Esimerkiksi 1000 l säiliöllä varustetun nostolaiteruiskun kuljettaminen ja pumpun käyttö tuo pelkän traktorin kulkemiseen tarvittavaan tehoon ja polttoaineen kulutukseen hädin tuskin havaittavan lisän. Omaan kulkemiseen tarvittavaan polttoaineen kulutukseen vaikuttavat mm. traktorin massa, maan kantavuus ja pito-ominaisuudet sekä renkaiden tyyppi, ilmanpaine ja kunto. Traktorin kulkuvastus voidaan laskea kertomalla vierimisvastuskerroin (f) ja traktorin maahan aiheuttama painovoima (G) keskenään. Traktorin massaan nähden oikein mitoitettujen renkaiden vierimisvastuskeroin voi olla hyvin kantavalla savimaalla 0,06 0,08, mutta voi nousta huonommin kantavissa oloissa yli 0,1 tason. Kulkuvastus (Fv) on laskettavissa yhtälön 2.4 mukaisesti. Jos vierimisvastusvoima kerrotaan nopeudella, saadaan kulkemiseen tarvittava teho. Esimerkiksi traktorin massa on 4000 kg ja vierimisvastuskerroin on 0,1, kulkuvastus on 0, ,81 = 3,9 kn. 2 m/s nopeudella teho on 3,9 kn 2 m/s 8 kw. Teho tarkoittaa tässä tapauksessa kulkuvastuksen voittamiseen tarvittavaa tehoa ja moottorilta tarvittava teho saataisiin, jos lukemaan lisätään voiman välittämiseen kuluvat traktorin sisäiset tehotappiot, pyörien luistoon kuluva luistoteho sekä hydrauliikan toimintaan tarvittava ylläpitoteho. Esimerkin traktori on ilman työkonetta, jolloin luistoteho on hyvin pieni, sillä se kattaa vain kulkuvastuksen voittamises- 54

56 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 55 ta aiheutuvan pyörien luiston ja siitä lasketun luistotehon. Esimerkin traktorin omaan kulkemiseen kuluu vain pieni osa traktorin moottorin tehosta. Tällöin moottorin kuormitusaste on alhainen ja polttoaineen ominaiskulutus siten korkea. Tällaisessa tilanteessa polttoaineenkulutusta voidaan alentaa valitsemalla mahdollisimman suuren ajovaihteen ja ulosottoakselikäyttöisiä laitteita käytettäessä nopeamman akselinopeuden (1000 r/min vaihtoehto) ja vastaavasti alennetaan moottorin pyörimisnopeutta. Nykyaikaisissa traktoreissa voidaan vaihteistoautomatiikka asettaa hoitamaan optimointi ja näyttää siltä, että ulosottoakselin käyttöön on tulossa samanlaisia mahdollisuuksia. Raskaissa muokkaus- ja kylvötöissä traktorin moottori kuormittuu polttoaineen ominaiskulutusta ajatellen riittävästi. Usein käy jopa niin, että jos pyritään ajamaan optimi kulutustasolla, jätetään käyttämättä osa moottorin tehopotentiaalista ja samalla työsaavutuksesta. Raskaissa töissä on moottorin toimintapisteen optimoinnin ohella oleellista mitoittaa traktorin massa sopivaan suhteeseen tehtävän työn kanssa vetävien pyörien hyvän vetohyötysuhteen varmistamiseksi. Liian korkean rengaspaineen, huonokuntoisen renkaan tai märän vetoalusta vuoksi voi vetohyötysuhde laskea jopa lähelle 50 % tasoa, kun se voisi optimaalisissa oloissa olla lähes 70 %. Myöhemmät esimerkit valaisevat lisää hyötysuhdeasioita (mm. Kuva 4.1). Muokkaus- ja kylvötöissä työkoneen tarvitsema työ on useimmiten suurin polttoaineen kulutuksen osatekijä. Tällöin polttoaineen kulutukseen voi vaikuttaa mm. työsyvyydellä, käsittelykertojen lukumäärällä ja työkoneen kunnolla ja säädöillä sekä maan kunnolla ja töiden ajoituksella. Näitä kysymyksiä käsitellään seuraavassa tarkemmin työvaiheittain. Esimerkki 40. Muokkaustraktorin massa on 6000 kg ja renkaisen vierismisvastuskerroin on 0,1, laske vierimisvastusvoima. Traktorin paino G=6000 kg 9,81 m/s 2 60 kn. Vierismisvastusvoima F v on 0,1 60 kn = 6 kn. 4.2 Muokkaus, maan kovuus ja polttoaineenkulutus Muokkauksen tavoitteena on tuottaa maahan kasville sopiva itämis- ja kasvualusta. Siinä itävä siemen saa hyvän maakontaktin, joka varmistaa itämiseen tarvittavan kosteuden saannin. Hyvärakenteisessa maassa kasvin juuret kasvavat nopeasti, jolloin maan vesi- ja ravinnevarat tulevat kasvin käyttöön. Tällaisessa maassa myös kaasujen vaihto toimii kasvin ja maan kannalta riittävän tehokkaasti. Toisaalta muokkauksen tavoitteena on myös mullata edellisen kasvin jätteet, karjanlanta ja mm. kalkki muokkauskerrokseen kasvin ja maan tarpeisiin. Maan pinta myös tasaantuu muokkauksen yhteydessä joko tarkoituksella tai tahattomasti muokkausmenetelmästä riippuen. Erityisesti kynnössä maan pinnan korkeuserot voivat jopa kasvaa, mutta kylvömuokkauksen yhteydessä epätasaisuudet jälleen tasaantuvat. Muokkaustapahtuma voidaan jakaa maan leikkaamiseen, murustamiseen ja muodon muutokseen sekä maa-aineksen siirtämiseen. Kaikkiin näistä kuluu energiaa. Energia tarpeeseen vaikuttaa mm. maata muokkaavan työvälineen (auran terä, äkeen piikki) muoto, työtapa ja työskentelykulma maahan ja kulkusuuntaan nähden. Muokkaussyvyydellä on suuri vaikutus energiantarpeeseen. Muokkaussyvyyden lisääminen lisää käsiteltävän maan määrää, ja syvemmällä maan kovuus voi olla suurempi. Toisaalta kullakin muokkausvälineillä on oma työtapansa ja ominaisvetovastus, joka yleensä kasvaa muokkaussyvyyttä kasvatettaessa, jopa kiihtyvästi. Eri maalajeilla on oma luontainen muokkausvastuksensa. Puhuttaessa raskaista maista tarkoitetaan ominaispainon lisäksi myös muokkaustöihin tarvittavaa voimaa. Jako keveisiin ja raskaisiin maihin ei silti suoraviivaisesti kerro muokkaukseen tarvittavan energia määrää. Keveillä mailla voi traktorin kulkuvastus olla raskaita maita suurempi ja toisaalta pyörien vetokyky huonompi, joista kumpikin lisää energian kulutusta. Myös maan kosteus vaikuttaa muokkauksessa tarvittavaan energian määrän. Maan muokkauksen osuus kasvinviljelyn kokonaisenergian kulutuksesta vaihtelee laajoissa rajoissa (5 25 %) muokkaus- ja kylvömenetelmästä riippuen [Arvidson 2010]. Typpiravinteiden valmistaminen on suurin yksittäinen tekijä kasvinviljelyn energian kulutuksessa. Muokkaukseen kuluva energia ilmoitetaan yleensä hyvin käytännönläheisesti l/ha. Ilmoitustavan ongelmana on, että se ei kerro mitään muokkauksesta. Kun maa yleisesti kynnetään n. 20 cm syvyyteen, jää esimerkiksi lautasmuokkauksen syvyys noin puoleen tästä. Jos lautasmuokkauksen energian tarve osoittautuu alhaisemmaksi, voi se johtua mm. erilaisesta muokkausperiaatteesta tai eriasteisesta muokkausintensiteetistä pienemmän muokkaussyvyyden lisäksi. Muokkaussyvyyden vaikutusta voidaan arvioida ottamalla huomioon käsitellyn maaprofiilin poikkipinta-ala (muokkaussyvyys työvälineen työleveys). Kun muokkausvälineen aiheuttama vetovastus jaetaan käsitellyn maan poikkipinta-alalla, saadaan ominaisvastus k (kn/m 2, katso kappale 3.3.2). Lukua voidaan käyttää luokittelemaan eri maalajeja esimerkiksi niiden aiheuttaman kyntövastuksen mukaan tai vertailtaessa eri muokkausvälineiden vetämiseen tarvittavaa voimaa samalla maalajilla. Ominaisvastus vaihtelee kivennäismailla tavallisesti kn/m 2 [Arvidsson et al 2004, Ahokas ja Mikkola 1986], mutta se voi hyvin kuivissa oloissa olla savimailla jopa yli 150 kn/m 2. Ominaisvastuksesta päästään hehtaarin työmäärään ja samalla laskennalliseen polttoaineen

57 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 56 kulutukseen l/ha yhtälöllä 4.1. W = k b t s (4.1) W k b t s hehtaarin muokkaustyö maan ominaisvastus työleveys työsyvyys yhden hehtaarin muokkauksessa kuljettu matka Esimerkki 41. Auran ominaisvastus (k) on 100 kn/m 2, auran leveys (b) 1,6 m, työsyvyys (t) 0,2 m ja ajomatka hehtaarille (s) 6250 m. Mikä on hehtaarin työmäärä ja vastaava polttoaineen kulutus? Entä mikä on hehtaarin kyntötyön polttoaineen kulutus, kun otetaan traktorityön hyötysuhde huomioon? Lasketaan ensin hehtaarin työmäärä W=kbts. W=100 kn m 2 1,6m 0,2m 6250m=200 MNm (=200 MJ). Tätä vastaavaksi polttoaineen kulutukseksi voidaan laskea polttoaineen 43 MJ/kg energiasisällöllä 5,6 l/ha. Todellinen hehtaarikulutus l/ha saadaan kun arvioidaan ja otetaan laskennassa huomioon traktorin pyörien vetohyötysuhde, voimansiirron hyötysuhde ja muut traktorin sisäiset tappiot sekä moottorin hyötysuhde. Näin saatuun lukemaan täytyy vielä lisätä kääntymisiin ja muuhun tuottamattomaan toimintaan liittyvä polttoaineen kulutus. Vetohyötysuhde voi parhaimmillaan olla n. 65 %, voimansiirron hyötysuhde mukaan lukien hydrauliikan häviöt n. 80 % ja moottorin hyötysuhde n. 40 %. Kun edellä laskettu kulutus jaetaan hyötysuhteiden tulolla (5,6 l/ha/(0,65 0,8 0,4)), saadaan todellista hehtaarikulutusta vastaava lukema 27 l/ha. Laskelman mukaan noin 21 % polttoaineen energiasta päätyy varsinaiseksi maan kääntämistyöksi. Käytännössä kulutus on totuttu ilmoittamaan l/ha, mutta McLaughlin [McLaughlin et al 2008] käyttää käänteistä käsitettä litraa polttoainetta tuotettua vetoenergian gigajoulea kohden kuvaamaan traktorin sopivuutta kyseiseen työhön. Jos lukema on korkea, on traktori työhön suuri ja pieni luku osoittaa traktorin olevan sopiva. Edellisessä esimerkkilaskelmassa lukema olisi ollut 102,5 l/1 GJ vetotyötä. Tämä taso osoittaa McLaughli n esittämän luokittelun mukaan, että auran ja traktorin kokosuhde olisi esimerkissä kohdallaan. Kun otetaan huomioon maan ominaisvastuksen koko vaihtelualue ja sekä traktorin hyötysuhteiden vaihtoehdot, vaihtele polttoaineen kulutus laajoissa rajoissa. Kuvio 4.1 muodostaa raamin, jonka ilmaisemia kulutuslukemia on käytännössä vaikea alittaa tai ylittää. Hyötysuhteiden yhtäaikainen asettuminen erinomaiselle tasolle onnistuu vain erikoistapauksissa. Samoin niiden yhtäaikainen asettuminen huonolle tasolle edellyttää mm., että veto-olosuhteet ovat huonot ja traktoria kuormitetaan liian vähän (moottorin hyötysuhde alhainen). Vaihteiston huono hyötysuhde (tässä 0,75) tulee vastaan esimerkiksi silloin, kun vaihteisto on rakenteeltaan monimutkainen tai traktorin portaatonta vaihteistoa käytetään sille epäedullisella välitysalueella. Maan kovuuteen ja sitä kautta ominaisvastukseen kyntäjä voi vaikuttaa mm. välttämällä maan tiivistymistä aiheuttavia toimenpiteitä ja toisaalta hyvin kuivan maan kyntämistä. Traktorin vetohyötysuhteeseen voi niin ikään vaikuttaa mm. sopivan kyntökelin valitsemisella ja varmistamalla, että vetävät renkaat ovat hyväkuntoiset ja niissä on riittävän alhainen ilmanpaine. Traktorin moottorin hyötysuhteeseen käyttäjä voi vaikuttaa sovittamalla traktorin ja auran koon hyvin yhteen sekä käyttämällä sellaista ajonopeutta, että moottori kuormittuu lähes täysin. 4.3 Kyntö Kyntö on runsaasti energiaa vaativa muokkausmenetelmä. Tämä johtuu pääosin suuresta työsyvyydestä (yleensä cm) minkä seurauksena käsiteltävän maan tilavuus on suuri. Kyntövastus ja energian kulutus kasvaa lisääntyneen vetovastuksen myötä kyntösyvyyden lisääntyessä (Kuva 4.2 ja 3.7). Tämä on varsin ymmärrettävää sillä käsiteltävän maan tilavuus kasvaa 100 m 3 /1 cm/ha ja käsiteltävä massa maalajista riippuen n. 150 t/ha. Kuvan 4.2 aineistosta voidaan laskea käyttäen kuvan 4.1 keskimmäisiä hyötysuhdelukemia hyväksi, että kuivalla savella hehtaarikohtainen kulutus on ilman päisteajoa lähes 35 l/ha. Kulutuksen kasvu voi olla eksponentiaalista (Kuvat 4.3, 3.7 ja 3.16), jos kyntösyvyyden lisäsentit tuovat entistä kovempaa maata (kyntöantura) kynnettäväksi Kyntösyvyys Auran terän rakeenne voi olla myös sellainen, että kyntösyvyyden lisääntyessä viilun kääntämisen tarvitaan enemmän työtä. Kuvan 4.3 kanssa hyvin yhteneviä tuloksia ovat saaneet myös Ahokas ja Mikkola [Ahokas ja Mikkola 1986]. Heidän tuloksista on laskettavissa, että kyntösyvyyden lisääntyminen 18 cm syvyydestä 24 cm syvyyteen (33

58 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 57 Kuva 4.1: Maan ominaisvastuksen sekä traktorin veto- voimansiirto- ja moottorihyötysuhteiden vaikutus kyntötyön (kyntösyvyys 20 cm) laskennalliseen hehtaarikohtaiseen polttoaineen kulutukseen. (Erinomainen hyötysuhde: vetohyötysuhde 70%, voimansiirron hyötysuhde 85% ja moottorin hyötysuhde 45%. Hyvä hyötysuhde: vetohyötysuhde 65%, voimansiirron hyötysuhde 80% ja moottorin hyötysuhde 37%. Alhainen hyötysuhde: vetohyötysuhde 60%, voimansiirron hyötysuhde 75% ja moottorin hyötysuhde 30%. %) lisäsi kyntövastusta multamaalla n. 50 % ja hiesumaalla n. 80 %. Myös heidän kokeissaan oli nähtävissä kyntövastuksen jyrkkä nousu kyntösyvyyden noustessa normaalia kyntösyvyyttä suuremmaksi. Ilmeisesti jonkinmoinen kyntöantura on vaikuttanut tuloksiin sekä käytetty suhteellisen kapea (36 cm) viilun leveys. Tutkimuksissa ja käytännön mittauksissa on kyntötyön polttoaineen kulutuksen havaittu vaihtelevan l/ha [Clark et al 1978, Danfors 1988, Palonen & Oksanen 1993]. Alhaisimmat lukemat saadaan luonnollisesti kevyillä multa- ja turv la ja kohtuulliseen syvyyteen kyntäen. Arvidsson in [Arvidson 2010] tutkimuksissa polttoaineen kulutus oli savimaalla 20 cm kyntösyvyydellä keskimäärin n. 30 l/ha (suoritusajan kulutus ilman päiste- ym. sivuaikoja) ja hiesuisella hienolla hiedalla n. 15 l/ha. Vastaavat luvut olivat cm kyntösyvyydellä n. 20 ja n. 10 l/ha. Hänen tuloksistaan voidaan laskea, että polttoaineen kulutus väheni savimaalla kyntösyvyyden madaltuessa lähes 2 l/ha/cm vastaavan luvun ollessa hiesuisella hienolla hiedalla reilu yksi litra. Uotilan ja Liskolan [Uotila & Liskola 1969] tutkimuksessa kulutus nousi 1 l/ha/cm lisättäessä kyntösyvyyttä 20 cm syvyydestä 35 cm syvyyteen. Kulutuksen nousussa oli havaittavissa lievää kiihtymistä suuremmissa syvyyksissä, mikä viittaa joko kyntöanturan olemassaoloon tai siihen, että kyntösyvyys alkoi muodostua liian suureksi käytetylle auran työleveydelle Auran säädöt Auran säädöt vaikuttavat kyntötyön polttoaineen kulutukseen. Toki lähtökohtana ovat oikeat säädöt, jotka on kohtuullisen helppo asettaakin, mutta auran sivukallistuksen säädössä esiintyy silti usein virheitä. Normaalisti auran terä ja erityisesti ojas asetetaan 90 o kulmaan maahan nähden. Liikaa viilun kääntymissuuntaan kallistettu aura voi lisätä kulutusta, pahimmillaan jopa kymmeniä prosentteja (kuva 3.12) [von Getzlaff 1952, Ahokas ja Mikkola 1986]. Tällöin siipi painaa viilua tiukasti edellistä vasten jolloin siiven ja maan väliset kitkavoimat kasvavat. Samalla vähenee myös auralta traktorille saatavissa oleva painonsiirto, mikä lisää vetävien pyörien luistoa lisäten samalla polttoaineen kulutusta. Päinvastaiseen suuntaan väärin säädetty aura saattaa kulkea hieman kevyemmin kuin oikein säädetty, mutta samalla viilujen sulkeutuminen voi vaarantua Kyntönopeus Kyntönopeus on monitahoinen kysymys liittyen oleellisesti auran ja traktorin koon yhteensovittamiseen, auran terän rakenteeseen, maan kivisyyteen ja kyntöolosuhteisiin. Nopeus vaikuttaa myös kyntötyön polttoaineen kulutukseen siten, että nopeuden kaksinkertaistamisen seurauksena voi hehtaarikohtainen kulutus lisääntyä % (Kuvat 4.3 ja 3.9) [Pedersen 1971]. Suurinta kulutuksen kasvu on kynnettäessä jyrkkämuotoisilla lieriöterillä, joilla kyntönopeuden lisääminen antaa kyntöviilulle suuremman kiihtyvyyden ja useimmiten myös maan murustuminen lisääntyy.

59 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 58 Kuva 4.2: Auran vetovastus (kn/m) savi- ja hiuemaalla kolmessa eri kosteudessa 13, 17 ja 21 cm kyntösyvyyteen kynnettäessä. Normaalikosteus on tässä ollut muovailtavuuden raja-arvon tuntumassa. (Kuvio tehty Arvidsson 2004 aineistosta) Kuva 4.3: Kyntösyvyyden ja ajonopeuden kasvattaminen lisää maan aiheuttamaan kyntövastusta (kokeet hietasavella) [Kheiralla et al 2004]. Kuviossa kyntövastus on ilmaistu auran työleveysmetriä kohti (kn/m). Vetovastuslukemista saataisiin maan ominaisvastus jakamalla lukema ao. kyntösyvyydellä Traktorin ja auran koko Kyntöauran koolla ei sinänsä ole juurikaan vaikutusta hehtaarikohtaiseen kulutukseen, mutta auran kokoon nähden väärän kokoinen traktori voi aiheuttaa lisäkulutusta. Käytännössä auran ja traktorin kokosuhde on kuitenkin harvoin niin pahoin pielessä, että hehtaarikohtainen kulutus sen vuoksi nousisi oleellisesti. Jos aura on pienehkö traktorin kokoon nähden, alenee luisto ja sitä myötä traktorin vetohyötysuhde paranee. Tämä kompensoi osin osakuormalla käyvän moottorin polttoaineen ominaiskulutuksen kasvusta johtuvaa hehtaarikohtaisen kulutuksen kasvua. Vasta jos moottorin kuormitusaste jää selvästi alle 50 %, voi hehtaarikohtaisessa kulutuksessa havaita nousua. Jos traktorin massa on liian pieni auran kokoon nähden, aiheuttaa vetävien pyörien luisto kulutuksen kasvua vaikka moottori toimisikin polttoaineen kulutuksen kannalta edullisimmalla alueella. Jos taas moottorin teho on alhainen, selvitään tilanteesta vaihtamalla pienemmälle vaihteelle kunhan vain traktorin massa riittää tarvittavan vetovoiman tuottamiseen. Kyntöön kuluva aika kasvaa, mutta hehtaarikohtaiseen kulutukseen tilanteella ei ole suurtakaan vaikutusta.

60 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ Kyntöolosuhteet Kyntöoloilla on merkittävä vaikutus hehtaarikohtaiseen energian kulutukseen. Vaikeissa oloissa renkaiden pito heikkenee ja sitä kautta luisto kasvaa lisäten kulutusta. Hyvin kuivissa oloissa pito on kyllä hyvä, mutta maa voi olla kyntöä ajatellen niin kovaa, että se lisää kulutusta. Arvidsson havaitsi ominaiskyntövastuksen (kn/m 2 ) alenevan savimaalla lähes puoleen maan vesipitoisuuden noustessa kaksinkertaiseksi (kuiva maa 16 % ja märkä maa 29 %) (Kuva 4.2). Toisaalta maan murustumiseen tarvittava energia oli alhaisin kosteusalueen puolivälissä, mikä oli lähellä maan muovailtavuuden rajaa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että sopivan kosteaa maata kynnettäessä suurien kokkareiden osuus maan koko tilavuudesta on alhaisin. Tätä kuivempaa tai kosteampaa maata kynnettäessä maa muokkautuu heikommin, jolloin kylvömuokkaukselta vaaditaan enemmän erityisesti syyskylvöjä tehtäessä. Kevääseen mennessä routa murustaa maata, ja erot kyntöjäljessä ovat vaikeammin havaittavissa Aurojen kunto Aurojen kunto vaikuttaa polttoaineen kulutukseen. Vantaan, kärjen ja leikkurin terävyyden merkitys on suurin kovilla mailla. Kun auran terän ja kärjen terävyys muuttui 1 mm mitasta 6 mm mittaan, nousi vetovastus erityisesti savi ja hiesumailla mailla jopa yli 50 % [Natsis et al 1993]. Auran aiheuttamasta vetovastuksesta suurin osa kuluu viilun irrottamiseen ja nostamiseen ja vain vähäinen osa viilun kääntämiseen Auran leveys Kun auran terän työleveyttä suurennetaan, kasvaa myös terän vetovastus, mutta vähemmän kuin työleveyden muutos edellyttäisi. Kun ruotsalaisessa auratutkimuksessa työleveyttä muutettiin 30 cm leveydestä 50 cm leveyteen eli 66 %, kasvoi vetovastus % [Pettersson 1989]. Työleveysmetriä kohden vetovastus kuitenkin aleni yli 20 %, mikä selittyy sillä, että viilun irrotukseen kuluva vetovastuksen osuus säilyy terän työleveyden muuttuessa suuruudeltaan terää kohti melko vakiona Maan rakenne Maan rakenteella ja viljelytekniikalla voidaan vaikuttaa aurojen vetovastukseen ja kynnön polttoaineen kulutukseen. Kanadalaisessa kokeessa maahan sekoitettiin vuosittain tai joka toinen vuosi 100 t karjanlantaa kahdeksan vuoden ajan. Lievästi kompostoitua lantaa vuosittain saaneen kivennäismaan (HtS) aiheuttama vetovastus aleni keskimärin 38 % pelkkää mineraalilannoitusta saaneeseen maahan verrattuna [McLaughlin & et al 2002]. Kokeessa kompostoimattoman lannan vaikutus oli alempi, ollen 27 %. Vastaavasti hehtaaria kohti laskettu polttoaineen kulutus aleni 18 ja 13 %. Kun lantaa levitettiin puolet vähemmän, eli vain joka toinen vuosi (ka 50 t/ha/v), olivat vaikutuksen samansuuntaisia, mutta suuruudeltaan vajaa puolet edellisistä. Kokeessa vetovoiman aleneminen selitettiin parantuneella maan rakenteella, mutta asiaa ei varsinaisesti tutkittu. Maan viljelyhistoria vaikuttaa maan rakenteeseen ja sitä kautta tarvittavaan vetovatukseen ja polttoaineen kulutukseen. Tunnettua on yksipuolisen viljanviljelyn aiheuttama maan orgaanisen aineksen vähentyminen ja tiivistymisriskin lisääntymien. Myös yksipuolinen heinäkasvien viljely saattaa lisätä maan kyntövastusta. Jopa kolme kertaa vuodessa tapahtuva raskaan korjuukaluston liikenne saattaa tiivistää maata, vaikka toisaalta uskotaan runsaan juuriston kuohkeuttavan maata. Kanadalaisessa kokeessa kuusi vuotta jatkunut yksipuolinen sinimailasen tai rehukattaran viljely aiheutti 5 10 % suuremman kyntövastuksen kuin monipuoliset viljelykierrot [Perfect & McLaughlin 1997]. Toisaalta kun apilanurmi lopetettiin glyfosaatilla, laski se hieman vetovastusta ensimmäisenä koevuotena ja noin 10 % toisena koevuotena [McLaughlin et al 2004]. Kasvin juuristoa ei kokeessa tutkittu, mutta tutkijat päättelivät juurien alkavan lahoamisen vaikuttaneen tulokseen. Kyntösyvyydellä on havaittu olevan vaikutusta satoon. Laajan, 17 vuotta kestäneen, Ruotsalaisen koesarjan perusteella näyttää siltä, että, varsinkin karkeilla hietamailla syvä, jopa 30 cm syvyyteen tapahtuva kyntö on edullinen [Håkansson et al 1998]. Näillä mailla kyntösyvyyden lisäys ei myöskään lisää polttoaineen kulutusta niin paljon kuin kovemmilla mailla. Hiesupitoisilla mailla matalahko kyntö (n. 15 cm) osoittautui mainitussa tutkimuksessa edullisimmaksi, kun taas savilla ja savipitoisilla mailla syvä kyntö oli edullinen, mutta selvästi lisääntyvä polttoaineen kulutus rajaa syvyyden cm tasolle. Jos kyntö on matalaa, tulee monivuotisten rikkakasvien torjunnasta huolehtia muulla tavoilla.

61 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 60 Kuva 4.4: Periaatekuvat maata muokkaavan piikin työtavasta. Kriittisen syvyyden alittamien voi aiheuttaa maan tiivistymistä. Oikeanpuoleisessa kuvassa piikkien etäisyyden vaikutus muokkauspohjaan ja muokkautumisvyöhykkeen muodostumiseen [Godwin & Spoor 2007]. Kynnön polttoaineen kulutukseen vaikuttaa Maalaji, jäykän ja raskaan maan vastus on suurempi ja polttoaineen kulutus korkeampi Maan kosteus, kuivan ja kovettuneen maan vastus on suurempi ja polttoaineen kulutus korkeampi Työsyvyys, vastus kasvaa syvyyden lisääntyessä ja kasvu on yleensä progressiivista Auran kunto ja säädöt, terävät vantaat ja oikein säädetty aura kuluttavat selvästi vähemmän polttoainetta Kyntö vaatii olosuhteista riippuen traktorin moottorilta kw/m ja polttoainetta kuluu oikein mitoitetulla kalustolla l/ha Ajonopeuden vaikutus ei ole kovin suuri 4.4 Kultivaattori ja lautasäes Kyntöä korvaavat muokkausmenetelmät ovat yleistyneet viimeisen parin vuosikymmenen aikana. Niihin siirtymistä on perusteltu mm. muokkaukseen tarvittavan ajan ja polttoaineen kulutuksen vähenemisellä. Polttoaineen kulutuksen aleneminen toteutuu varsinkin, jos muokkaussyvyys kyntöä korvaavilla menetelmillä on oleellisesti pienempi ja muokkauskertoja on vain yksi. Sen sijaan, jos muokkauskertoja on kaksi ja muokkaussyvyys on puolet tai enemmän kyntösyvyydestä, on polttoaineen kulutuksessa tuskin odotettavissa säästöä Kultivaattori Kultivaattoria käytettäessä muokkauksen lopputulokseen ja tarvittavaan polttoaineen kulutukseen vaikuttavat piikin muoto ja asento sekä piikin liikenopeus. Lisäksi vaikuttavat tietenkin maan ominaisuudet, mm. maalaji, maan tiiviysaste ja kosteus. Useimpiin näistä käyttäjä voi vaikuttaa ainakin jossain määrin. Kuvassa 4.4 on yleinen esitys piikin käyttäytymisestä maassa. Muokkautumisen kannalta tärkeitä tekijöitä ovat piikin kulma maahan nähden, piikin leveys ja työsyvyys. Työsyvyydessä merkityksellistä on myös ns. kriittinen syvyys, jota suuremmalla syvyydellä työskenneltäessä piikin aiheuttama maan liike on pääsääntöisesti eteen ja sivuille päin aiheuttaen maan tiivistymistä. Piikin aiheuttama vetovastus kasvaa syvyyden myötä ja kasvu voi olla kiihtyvää, jos muokattaessa ylitetään piikin kriittinen syvyys. Maan pinnalla piikin kulkuuran molemmin puolin on murustuneen maan kasaumat, joiden koko ja muoto riippuu ajonopeudesta ja piikin mallista. Maassa alkuperäiseen maan pintaan ulottuen on V-kirjaimen muotoinen alue, jossa maa on liikkunut ja murustunut. Piikin kulku-ura maassa sekä piikin kulku-uran sivuilla olevan käsitellyn maan poikkipinta-ala on perustana kun kultivaattorimuokkauksessa lasketaan maan ominaisvastusta (kn/m 2 ). Godwinin ym. [Godwin & Spoor 2007] mukaan ominaisvastus oli alhaisimmillaan 25 mm leveillä piikeillä (syvyys 165 mm), kun piikkien väli on n. 20 cm. Tällä piikkivälillä myös yhden piikin muokkautumisvyöhyke oli lähellä maksimiaan. Pienemmillä piikkiväleillä piikin muokkautumisvyöhyke selvästi pieneni vierekkäisten piikkien toimialueiden limittyessä (Kuva 4.4 oikea puoli, kuva 3.10). Yli 25 cm piikkivälillä jokaisen piikin muokkautumisalueet olivat itsenäisiä ja piikkien väliin alkoi ilmaantua muokkaamaton kaista. Tässä vaiheessa myös yksittäisen piikin aiheuttama vastus oli suurimmillaan. Mitä pienempi on piikkiväli sitä enemmän muokkautumisvyöhykkeet menevät päällekkäin, mikä alentaa piikin aiheuttamaa vetovastusta jopa yli kolmanneksella. Samalla maa tulee tasaisemmin muokatuksi.

62 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ Vetovastus kn/ m Yli 32 mm murujen osuus Ominaisvastus kn/m2 Energiaa J/m Kyntö 23 cm Kultivaattori n. 13 cm, 80 mm terä Kultivaattori n. 8 cm, 80 mm terä Kultivaattori n. 8 cm, 80 mm siipiterä Kultivaattori n. 8 cm, 80 mm kulunut terä Kultivaattori n. 10 cm, 210 mm terä Kultivaattori n. 13,5 cm, hanhenjalkaterä Kultivaattori n. 7,5 cm, hanhenjalkaterä Kultivaattori n. 7 cm, 80 mm jousiterä Kuva 4.5: Kahdeksan erilaisen kultivaattorinpiikin ja auran aiheuttama vetovastus 3 m työleveyttä kohti (kn/3 m), ominaisvastus (kn/m 2 ), yli 32 mm murujen osuus muokkasukerroksessa (%) ja muokkauskerroksen ominaispinta-alaa kohti käytetty energia (J/m 2 ). Taulukko tehty Arvidsson 2010 savimaalla mittaamasta aineistosta [Arvidson 2010]. Kultivaattorin piikin koko, muoto ja tyyppi vaikuttavat piikin aiheuttamaan vastukseen ja maan muokkautuvuuteen. Arvidsson ja Hillerström [Arvidsson, J. & Hillerström, O. 2010] vertailivat eri tyyppisiä ja kokoisia piikkejä savi- ja hiuesavimaalla. He mittasivat auran ja kultivaattorin, jossa oli hanhenjalkaterällä varustetut piikit aiheuttavan erityisesti savimaalla alhaisemman ominaisvastuksen kuin muilla kärkityypeillä varustetut kultivaattorit aiheuttavat (Kuva 4.5). Kynnön alhaisempi lukema johtuu siitä, että sivusta pystytasossa ja pohjaltaan lähes vaakasuorassa tapahtuva viilun irrotus on energiataloudellinen ja toisaalta, että maa jää kynnön jäljiltä melko karkeaksi (yli 32 mm murujen osuus alhainen). Hanhenjalkaterällä varustettu kultivaattoripiikin kulma on pieni, jolloin maa pääsee nousemaan ylöspäin piikin edetessä johtaen myös muita kultivaattoreita karkeampaan työjälkeen. Tavanomainen piikki, jossa oli lähes vaakasuoraan asennetut siivekkeet toimi lähes siivekkeettömien tapaan. Lähes vaakasuorassa olevat piikit irrottavat maan muokattaessa lähes kauttaaltaan, mutta eivät lisää maan eri kerrosten ja kasvinjätteiden sekoittumista maahan. Sen sijaan hanhenjalkatyyppiset piikit ovat tässä suhteessa yleensä tehokkaita. Jousirakenteisten piikkien ominaisvastus on mittauksissa ollut jäykkien piikkien ominaisvastusta alhaisempi. Piikki värisee maassa ja sen vetovastus on n 20% pienempi kuin jäykän piikin. Värisevät piikit myös hienontavat maata tehokkaammin kuin jäykät piikit. Pienillä kulmilla piikin pystysuuntainen voima on negatiivinen, mikä tarkoittaa sitä, että piikki on maahakuinen. Kun piikin kulma kasvaa C tasolle, on pystysuuntaiset voimat lähellä nollaa [Godwin & Spoor 1997] ja tätä suuremmilla kulmilla täytyy piikkiä painottaa, että se pysyisi työskentelysyvyydessään (kuva 3.11) Lautasäes Lautasmuokkaimen lautasten toimintaperiaate on esitetty kuvassa 4.6. Pystyyn asetettuun pyörivään lautaseen kohdistuu pystysuuntainen kantava voima, pienillä muokkauskulmilla etunurkkaan sivuttainen voima kuperalle puolelle ja suurilla muokkauskulmilla lautasen takanurkkaan koveralle puolelle edellisiin nähden vastakkaiseen suuntaan vaikuttava sivuttaisvoima. Käsitellyn maan alue muodostuu kuviossa 4.7 nähtävästä lautasen syrjäyttämästä maa-alasta sekä lautasen sivulleen työntämästä ja nostamasta maasta. Kuviossa 4.7 A mukaan asetetut lautaset ovat kytketty runkoon kukin omalla tukivarrellaan, B tapauksessa useita lautasia voi olla samalla laakeroidulla akselilla. Lautanen tekee maahan U-kirjaimen muotoisen uran ja heittää irrotetun maa-aineksen sivulle nopeudesta ja lautasen asennosta

63 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 62 Muokkauskulma Ajosuunta Muokkaamaton kannas Työsyvyys Kallistuskulma Muokattu alue Kuva 4.6: Lautasäkeen lautasen toimintaperiaate riippuvalla tavalla. Lautasten kulma ajosuuntaan nähden ja etäisyys toisistaan vaikuttavat muokkauspohjan muotoon. Muokkauksen lopputulokseen ja polttoaineen kulutukseen vaikuttavat lautasen halkaisija, lautasen akselin kulma vaakatasoon nähden, lautasen muokkauskulma, muokkaussyvyys sekä ajonopeus. Myös maan kovuus ja kosteus vaikuttavat sekä polttoaineen kulutukseen että muokkaustulokseen. Godwinin [Godwin 2007] mukaan lautasen aiheuttama vetovastus on alhaisimmillaan noin 20 muokkauskulmalla ja kasvaa siitä melko suoraviivaisesti noin kolmanneksella muokkauskulman suurentuessa 35 tasolle. Pystysuuntainen voima oli samassa kokeessa 20 muokkauskulmalla korkea, mutta se laski kolmasosaan 35 muokkauskulmalla. Tähän maan lautasta kannattelevaan voimaan vaikuttaa lisäksi muokkaussyvyyden ja lautasen halkaisijan yhteisvaikutuksesta syntyvä kohtauskulma, joka suuretessaan aiheuttaa suuremman pystysuoran kannattelevan voiman. Mitä syvempään muokataan, sitä suurempi on tämä kohtauskulma ja samalla maan lautasta kannatteleva voima. Myös lautasen koveruus vaikuttaa pystysuoraan voimaan, sillä hyvin kovera lautanen suurelle muokkauskulmalle säädettynä muuttuu selvästi maahakuiseksi. A B 10 cm Kuva 4.7: Periaatekuva lautasmuokkaimen muokkaustavasta ajosuuntaan katsottaessa. Lautasten läpimitta 50 cm, etäisyys toisistaan 20 cm ja muokkaussyvyys 10 cm. (A: lautasten akselit kallistettu vaakatasosta ja lautasen muokkauskulma pienehkö ajosuuntaan nähden, B: lautaset pystyssä ja akselikulma (muokkauskulma) edellistä suurempi ajosuuntaan nähden) Nalavaden ym [Nalavade et al 2010] mittauksissa pystysuora voima säilyi loivasti koveralla lautasella jotakuinkin vakiona muokkauskulman vaihtelusta huolimatta. Käytännössä muokkaussyvyys ei saisi ylittää neljännestä lautasen halkaisijasta. Sivuttainen voima on pienillä, alle 20 kulmilla käytännössä hyvin pien, mutta se kasvaa merkittävästi muokkauskulman noustessa 35 tasolle [Godwin 2007]. Tämän vuoksi lautasäkeessä täytyy olla sama määrä oikealle ja vasemmalle suunnattuja lautasia. Lautasäkeen vetovastukseen ja polttoaineen kulutukseen vaikuttaa hyvin paljon muokkaussyvyys ja äkeen muut varusteet edellä mainittujen lautasen asennosta johtuvien syiden lisäksi. Perusmuokkaukseen käytettävän pelkästään lautasia käsittävän lautasäkeen vetovastus voi vaihdella N/lautanen, kun muokkaussyvyys on cm ja lautasten halkaisija tyypillisesti n. 60 cm. Jos äkeen leveys on 3 m ja siinä on 24 lautasta, on koko äkeen vastus kn vastaten leveydeltään puolta pienemmän kyntöauran lukemia tyypillisissä kyntösyvyyksissä. Nykyisin käytetään pääasiassa lautasäkeitä, joissa on pienemmät lautaset (halkaisija n. 45 cm), lautasten väli keskimäärin cm ja muokkaussyvyys tilanteen mukaan 5 15 cm. Takana on lisäksi joko metalli- tai kumipintainen tiivistävä jyrä. Tällaisen lautasmuokkarin vetovoiman tarve on edelliseen nähden samaa luokaa

64 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 63 tai jopa suurempi samalla muokkaussyvyydellä. Arvidssonin [Arvidson 2010] kokeissa 3 cm muokkaussyvyydellä vetovastus oli keskimäärin n. 5 kn/m. Kultivaattori ja lautasäes aiheuttavat pienemmän vetovastuksen ja polttoaineen kulutuksen kuin kyntöaura. Tähän vaikuttaa useimmiten selkeästi matalampi työsyvyys. Kun polttoaineen kulutus lasketaan muokkausprofiilia kohti, eli otetaan muokkaussyvyys huomioon, ovat kulutuslukemat yleensä suurempia kuin kynnettäessä. Tämä tarkoittaa sitä, että kultivaattorien ja lautasäkeiden ominaismuokkausvastus on korkeampi kuin kyntöauran. Ajonopeus on usein suurempi, jolloin maalle annetaan suurempi kiihtyvyys ja maa myös hajoaa ja muokkautuu hienommaksi kuin kynnettäessä. Tähän kaikkeen tarvitaan energiaa. Arvidsson [Arvidson 2010] havaitsi, että savimaalla kultivaattorin ja lautasäkeiden ominaisvastus oli noin kolmanneksen suurempi kuin kyntömenetelmien (Kuva 4.8), mutta niiden aiheuttama polttoaineen kulutus l/ha oli alle kolmasosa normaalisyvyiseen kyntöön verrattuna. Jos muokkauskeroja oli kaksi, jäi kulutus silti noin puoleen kynnön kulutukseen nähden. Hiesumaalla kultivaattorin ja lautasäkeen ominaisvastus oli vain hieman korkeampi kuin kyntöauran, mutta sielläkin muokkaus niillä oli selkeästi polttoainetaloudellisempaa kuin kyntäminen. Kultivaattorin ja lautaäkeiden jäljiltä maan pinta on selvästi tasaisempaa ja murukoko on keskimäärein pienempi kuin kynnön jäljiltä. Tämä vähentää kylvömuokkauksen tarvetta, tai jopa poistaa sen. Hiesumaan rakenne on ilmeisesti ollut varsin hyvä, koska myös kynnön jälkeen kylvömuokkauksen tarve on ollut hyvin vähäinen verrattuna savimaan vastaavaan lukemaan. Käyttäjä voi valinnoillaan vaikuttaa monella tapaa perusmuokkauksen energian kulutukseen, mutta energiankulutuksen vähentämisellä on merkitystä vasta, jos se ei johda sadon kohtuuttomaan alenemiseen tai rikkakasvien ja tautientorjunnan vaikeutumiseen. Sadon suhteen on vaihtelevia tuloksia ja käytännön kokemuksia. Arvidsson n [Arvidson 2010] mukaan sato oli kolmen vuoden kokeessa kevennettyjen muokkausmenetelmien jälkeen 0 10 % alempia kuin normaalisti kynnetyiltä ruuduilta. Zentnerin [Zentner et al 2004] 12 vuotta kestäneissä eri kasvivuorotuksia sisältäneissä kokeissa satotaso oli suunnilleen sama sekä perinteisesti, että minimimuokatuilla aloilla kuin suorakylvössä. Kuva 4.8: Perusmuokkausvälineiden kolmen koevuoden ominaisvastuksen keskiarvo (kn/m2) savi- ja hiuemaalla, (Kuvio tehty Arvidsson 2010 aineistosta [Arvidson 2010]). Muokkausvälineet: Överum XL aurat, Väderstad Cultus kultivaattori, Värderstad lautasäen 605 mm lautaset, Värderstad Carrier lautasmuokkari.

65 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 64 Lautasäkeen ja kultivaattorin polttoaineen kulutus: Maalaji, maan kosteus, työsyvyys, piikkiväli ja piikin tyyppi ja muoto vaikuttavat erittäin paljon kultivaattorin hehtaarikohtaiseen kulutukseen Tehokas murustaminen ja kasvustojätteiden sekoitttaminen lisää kulutusta Polttoaineen kulutuksen likiarvo on 1 l/ha jokaista työsyvyyssenttiä kohden Pakkerilla varustetun kultivaattorin ja lautasmuokkarin jälkeen kylvömuokkaustave on kyntöä vähäisempää tai jää pois, mikä vähentää koko ketjun kulutusta 4.5 S-piikkiäes S-piikkiäkeen piikin muokkaustapaan pätevät samat periaatteet kuin kultivaattorin piikin osalta on esitetty mm. kuvassa 4.4. Piikin maata muokkaavat kärjet ovat tyypillisesti leveydeltään mm, mutta joissakin tapauksissa on käytetty 50 mm leveitä kärkilappuja tavoiteltaessa tasaisempaa muokkauspohjaa. Muokkaussyvyys on yleensä 2-7 cm jolloin ei käytännössä koskaan ole vaaraa kriittisen syvyyden ylittymisestä. S-piikkiäes on kokonaisuus, jossa muokkauksen polttoaineen kulutukseen vaikuttavat piikkien lisäksi ennen piikkejä oleva ladan tai muun maata tasaavan laitteen käyttö ja säädöt, kantavien pyörien kulkuvastus ja äkeen takana olevan haran tai varpajyrän aiheuttama vastus (katso kappale 3.7.4). Joissakin äkeissä voi olla maan kokkareita murustavia ja maata tasaavia latoja äkeen rakenteen sisällä tai äkeen takana edessä olevan ladan lisäksi. Äkeen aiheuttama vetovastus ja siten polttoaineen kulutus kasvaa maata muokkaavien ja käsittelevien elementtien lisääntyessä. Piikit aiheuttavat osan s-piikkiäkeen vetovastuksesta ja muut äkeen osat, kuten etuladat, varpajyrät ja äkeen tukeminen voivat aiheuttaa myös huomattavan vetovastuksen. Piikkien aiheuttama vastus riippuu oleellisesti maalajista ja muokkaussyvyydestä. Kuvassa 3.8 esitetään s-piikkiäkeen ensimmäiselle piikkiriville asetetun piikin vastuslukemia. Ensimmäisellä piikkirivillä olevan piikin aiheuttama vastus on jonkin verran suurempi kuin jälkimmäisillä piikkiakseleilla olevien piikkien, erityisesti ensimmäisellä muokkauskerralla. Muokkaussyvyyden kaksinkertaistaminen voi jopa kolminkertaistaa piikin aiheuttaman vastuksen. Tämän vuoksi tarpeettoman syvää muokkausta on syytä välttää. Varsinkin kivennäismailla muokkaustapahtumaa säätelee keväällä maan kosteusolot. Sulamis- ja sadevesien jäljiltä maa on aluksi märkä ja muokkauskelvoton, eikä kanna myöskään muokkauskalustoa, mutta maan kuivuessa pintaan muodostuu yhä paksumpi muokkautuva kerros itämiselle välttämättömän kosteuden löytyessä yhä syvemmältä. Kylvömuokkauksen tulee ulottua tähän kosteaan maan rajaan. Tämän vuoksi muokkaussyvyyttä ei voi säätää muokkausvastuksen tai energian säästön perusteella. Tosin muokkauskauden alkuvaiheessa, kun maa on juuri muokkauskalustoa kantavaa, on kuiva kerros ja siten myös muokkauskerros ohuempi, jolloin maa muokkautuu pienemmällä polttoainemäärällä, kuin myöhemmin muokattaessa syvempään. Maalaji ja maan rakenne vaikuttavat oleellisesti piikin aiheuttamaan vetovastukseen ja muokkauksen polttoaineen kulutukseen. Kuvion 3.8 mukaan multamaalla piikin vastus on noin puolet savimaan lukemiin verrattuna. Orgaanisten maiden ryhmässä turvemaista multamaihin löytyy myös vaihtelua, ja sellaisilla multamailla, joissa kivennäismaan osuus lähenee 80 % voi piikin vastus lähetä kivennäismailla esiintyviä vastuslukemia. Kivennäismaat ryhmässä maan kovuus ja sen mukaisesti myös piikin vetovastus voi vaihdella laajoissa rajoissa. Vastus on alhaisin savettomilla karkeilla kivennäismailla ja suurin huonorakenteisilla hiesu ja savimailla. Mäkisen [Mäkinen 1985] mukaan s-piikin vastus vaihteli keskimääräisellä 6 cm muokkaussyvyydellä N/piikki. Piikki oli kiinnitetty ensimmäiseen piikkiriviin, ja kärjen leveys oli 34 mm. Ajonopeus vaikuttaa hieman piikin aiheuttamaan vastukseen. Mäkisen [Mäkinen 1985] mukaan piikin vastus kasvoi savimaan toisella muokkauskerralla jopa lähes kaksinkertaiseksi ajonopeuden noustessa 7 13 km/h. Useimmissa muissa tutkimuksissa vetovastus on kasvanut korkeintaan muutaman kymmenen prosenttia nopeuden kaksinkertaistuessa. Näin oli tilanne myös Mäkisen tuloksissa multamaalla (20 30 % vastuksen lisääntyminen). Vastuksen nousua selittää erityisesti kivennäismailla kitkavoimien lisääntyminen ja se, että maan muruille annetaan suuremmalla muokkausnopeudella suurempi kiihtyvyys, jolloin myös maan muokkautuminen ja maapartikkeleiden sekoittuminen lisääntyy. Äkeen varusteiden aiheuttamaan vetovastukseen vaikuttavat niiden käyttötapa (lata) ja niiden kannatteleman massan suuruus sekä maalaji ja maan kantavuus. Jos ladan edessä kuljettaa reilua maamäärää koko muokkauksen ajan voi se aiheuttaa jopa useamman litran kulutuslisän hehtaaria kohden. Pyörivien kannatinlaitteiden (pyörät ja varpajyrä) vetovastusta voidaan arvioida vierimisvastuskertoimen avulla. Pyörien kerroin vaihtelee maan kovuudesta ja kantavuudesta sekä pyörän koosta riippuen 0,07 0,2 välillä. Varpajyrälle voidaan Mäkisen [Mäkinen 1985] aineistosta laskea kertoimeksi olosuhteista ja maalajista riippuen 0,35 0,5. Kun kertoimella

66 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 65 kerrotaan varusteen kantaman massan aiheuttama painovoima, saadaan varusteen aiheuttama vetovastus. Äkeen piikkiin kohdistuu piikin tyypistä riippuen pystyvoima, mikä on poissa pyörien tai varpajyrän kuormasta. Jos äes on hyvin kevyt ja siinä käytetään pystypiikkejä, voi jopa käydä niin, että äkeen koko massa tarvitaan halutun muokkaussyvyyden saavuttamiseksi. Tällöin pyörien tai varpajyrän aiheuttama vetovastus on vähäinen, ja ladan vastus riippuu sen käyttötavasta. Pehmeillä multamailla äkeen massasta varsin suuri osa tulee pyörien tai varpajyrien kannettavaksi, jolloin varsinkin järeän s-piikkiäkeen aiheuttamasta vetovastuksesta merkittävä osa johtuu äkeen massan siirrosta. Multamailla äkeen painoksi riittää 10 kg piikkiä kohden. Tyypillisen hinattavan äkeen massa on 30 kg piikki. Tällöin esimerkiksi 5 m äkeen lisämassasta johtuva vetovastus voi pyörä-äkeellä olla 1,5 2,5 kn, mikä on multamaaoloissa verrattavissa piikin aiheuttamaa vetovastukseen. Myös traktorin kulkuvastuksen voittamiseen voi kulua pehmeällä multamaalla enemmän polttoainetta kuin kantavalla kivennäismaalla. Yhteenvetona voi todeta, että vaikka piikin vastus olisikin alempi multamaalla, voi raskaan savimaan muokkaukseen tarkoitettu yhdistelmä kuluttaa polttoainetta multamaan muokkauksessa saman verran kuin savimaalla johtuen lisääntyneistä kulkuvastuksista. Useissa tutkimuksissa ja esityksissä on s-piikkiäkeellä tapahtuvan kylvömuokkauksen polttoaineen kulutukseksi esitetty 4 6 l/ha muokkauskertaa kohden. Ensimmäinen muokkauskerta on yleensä hieman toista ja mahdollisia seuraavia muokkauskeroja enemmän energiaa kuluttava. Jos lataa käytetään jatkuvaan maan siirtämiseen, voi polttoaineen kulutus helposti lisääntyä pari litraa hehtaaria kohti. Kylvömuokkauksen polttoaineen kulutus Maan kovuus, muokkaussyvyys ja äkeen varustelu vaikuttavat kulutukseen Tiheä piikkiväli ja monipuoliset lisävarusteet lisäävät kulutusta käsittelykertaa kohden, mutta voivat vähentää käsittelykertoja ja siten kokonaiskulutusta Perusmuokkaus vaikuttaa kylvömuokkauksen polttoaineen kulutukseen Traktorin tehontarve vaihtelee olosuhteista ja muokkaussyvyydesta riippuen kw/m ja tyypillinen polttoaineen kulutus on 5 l/ha 4.6 Kylvölannoittimet Kylvölannoitus on Suomessa ylivoimaisesti yleisimmin käytetty kylvömenetelmä, vaikka lannoitteiden erillislevitys onkin lisääntynyt, varsinkin suurilla tiloilla. Kylvön tavoitteena on sijoittaa siemen maahan joko riviin tai nauhamaisesti siten, että siemen saa itämisessä tarvittavan kosteuden ja pystyy kasvattamaan vettä ja ravinteita keräävät juuret. Toisena tavoitteena on saada siemenet mahdollisimman hyvin samalle syvyydelle tasaisen alkukehityksen aikaansaamiseksi. Liian matalaa kylvö voi johtaa vedensaantiongelmiin, ja liian syvä jyvän, energiavarjojen loppumiseen ennen kuin oras saavuttaa maan pinnan. Lannoitteet pyritään yleisimmin sijoittamaan joka toiseen kylvöriviväliin hieman siemenien kylvösyvyyttä syvempään. Siemeniä ja lannoitteita sijoittavat vantaat aiheuttavat vetovastuksen, joka on sitä suurempi, mitä suurempi on työsyvyys. Erityisesti lannoitteiden sijoituksessa myös maan kovuus ja vantaiden tyyppi vaikuttavat vetovastukseen. Kylvölannoittimiin voi olla kytkettynä erilaisia esimuokkaimia, joiden aiheuttama vetovastus lisää energian kulutusta. Kylvöyhdistelmien kokonaismassat säiliöt täynnä ovat useita tonneja, joten vierimisvastus on merkittävä vetovastusta aiheuttava tekijä, erityisesti jos kysymyksessä on takapyöräkylvölannoitin. Myös perinteisten sivupyöräkoneiden pyörien aiheuttama vierimisvastus voi olla merkittävä. Laahavantaat Laahavantaan aiheuttama vetovastus aiheutuu pääasiassa kahdesta tekijästä. Vantaan syrjäyttäessä maata syntyy kitkavoimia ja tarvitaan energiaa antamaan maapartikkeleille liike-energiaa. Kitkavoimia syntyy myös kun vantaan kärki kulkee muokkaamattoman maan pintaa pitkin osin jopa siihen painuneena. Laahavantaan rakenne (Kuva 4.9) on sellainen, että maata liikutellaan vain vähän kylvötapahtuman yhteydessä minkä johdosta vantaan aiheuttama vetovastus on alhainen verrattuna esimerkiksi s-piikin aiheuttamaan. Vantaiden vetovastuksia ei juurikaan ole erikseen mitattu, mutta laahavannasta jäljittelevän vantaan mittauksissa vannaskohtainen vetovastus oli 3 6 cm työsyvyydellä N [Gepresent & Jönsson 1992]. Vertailukohtana voi todeta, että s-piikkien vetovastusmittauksissa toisen muokkauskerran lukemat ovat 4 6 cm syvyyteen muokattaessa N piikkiä kohti [Mäkinen 1985]. S-piikki kuitenkin muokkaa maata ja on toimintatavaltaan muutenkin aggressiivisempi kuin laahavannas. Esimerkkien perusteella voidaan laahavantaan vannaskohtaisen vastuksen

67 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 66 katsoa olevan korkeintaan 50 N tasoa. Tällöin kolmimetrisen kylvölannoittimen siemenvantaat aiheuttavat 1,2 kn vetovastuksen. Kuva 4.9: Kylvölannoittimissa käytettäviä siemenvantaita. Vasemmalla on tyypillinen laahavannas, keskellä yksikiekkoinen lautasvannan ja oikealla kaksikiekkoinen lautasvannas (tässä suorakylvövannas, joka sijoittaa sekä siemenen että lannoitteen). Kuva J.Esala. Kiekkovantaat Kiekkovantaita on useita eri tyyppejä (Kuva 4.9). Vannas voi koostua 1 3 kiekosta. Lisäksi voi olla työsyvyyttä säätelevä pyörä, joka joissain tapauksissa voi samalla tiivistää kylvörivin. Kiekkovantaiden vetovastukseen vaikuttavat kylvötavan, maan ominaisuuksien ja työsyvyyden lisäksi ainakin lautasen halkaisija, paksuus, muoto ja kulma ajosuuntaan nähden [Tice & Hendrick 1992]. Kahden tai kolmen lautasen vantaassa näiden keskinäinen sijainti ja asento vaikuttavat vetovastukseen. Muokatun maan kylvöön tarkoitettujen kiekkovantaiden vetovastus on käytännön kokemuksen perusteella hieman suurempi kuin laahavantaiden aiheuttama vetovastus. Muokkaamattomalla maalla vetovastus on luonnollisesti suurempi kuin muokatulla. Niinpä Collins ja Fowler 1996 raportoivat vannaskohtaisen vetovastuksen olevan suorakylvössä hiuesavimaalla n. 200 N, kun kylvösyvyys oli muutamia senttejä. Jos lautasvannasta käytetään lannoitteiden sijoittamiseen, on vastus selvästi suurempi suuremman työsyvyyden vuoksi. Lannoitevantaat Kylvölannoittimissa käytettävien lannoitevantaiden rakenne vaihtelee erilaisista piikkimuodoista lautasvantaisiin. Lannoitevantaiden vetovastuksista on vähän mitattua tietoa, mutta s-piikin vetovastuksesta saa jonkinlaisen lähtökohdan arvioille. Mittauksissa on todettu s-piikin vastuksen olevan 7 8 cm työsyvyydellä N paikkeilla ensimmäisellä muokkauskerralla. Lannoitevannas on yleensä kapeampi, mutta se toimii pystymmässä asennossa, joten vetovastus ei suuresti poikkea s-piikin aiheuttamasta vastuksesta. Kylvölannoittimen vetovastus Kylvölannoittimen vetovastukseen vaikuttaa käytettävät vantaat ja työsyvyys, koneen massa sekä renkaiden tyyppi, koko ja sijainti. Koneen massan kasvu lisää lähes suoraviivaisesti vetovastusta. Vetovastus on laskettavissa vierimisvastuskertoimen avulla, joka hyvin kantavalla mulloksella ja sängellä on 0,1 luokkaa. Tällöin kg painoisen kylvölannoittimen pyörien aiheuttama kulkuvastus on 2 5 kn tasoa, jos kone on suurilla sivupyörillä varustettua tyyppiä. Takapyöräkoneilla vastus on suurempi, koska pyörärintama jyrää koko työleveyden alan ja pyörien kehä on oleellisesti pienempi kuin sivupyöräkoneissa. Magnusson [Magnugsson 2004] mittasi lautasvantaisen takapyöräkylvölannoittimen vetovastukseksi edeltävästä muokkauksesta riippuen kevyellä savimaalla n. 4 5 kn/m ja jäykällä savimaalla 4,5 6 kn/m. Kylvölannoittimen edessä oli kytkettynä lisävarusteena saatavat kaksi riviä matalaan muokkaavia lautasia. Muokkaamattomaan maahan kylvettäessä lukemat eivät oleellisesti poikenneet esitetyistä. Toisaalta Saksalaisessa vertailussa, jossa oli neljä pelkästään viljan siemenen sijoittavaa kylvökonetta, vetovastus oli kahdella koneella 2, yhdellä 6 ja neljännellä 9 kn/m [Gall et al 2009]. Suuri ero koneiden välillä johtui vantaiden toimintatavasta. Mitä enemmän vannas muokkasi siementä ympäröivää maata, sitä suurempi oli vastus. Koneissa oli kaksi tai useampi pyörä takana, säiliö keskellä ja pneumaattinen siementen kuljetus

68 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 67 vantaisiin. Mitattujen ja arvioitujen vetovastuslukujen avulla polttoaineen kulutuksen voi laskea melko tarkasti (katso esimerkkilaskut). Lisäksi on laskettava traktorin oma kulkuvastus sekä pneumaattisissa kylvölannoittimissa puhaltimen käyttämiseen tarvittava teho. Jos laskelman tekee taulukkolaskinohjelmalla, voi lähtötietoja varioimalla arvioida niiden vaikutusta lopputulokseen. Laskelmassa tarvittavat hyötysuhteet on arvioitava. Moottorin hyötysuhde voi optimaalisessa kuormitustilanteessa olla jopa yli 40 %, mutta voi jäädä reilusta tämän alle, jos moottorin kuormitusaste on kylvötyössä selvästi alle 60 % (ylimitoitettu traktori). Voimansiirron hyötysuhde vaihtelee hieman alle 80 % tasosta lähelle 90 % vaihteiston ja hydrauliikan ominaisuuksien mukaan. Arvidsonin [Arvidson 2010] ja Magnussonin [Magnugsson 2004] kokeissa etumuokkarilla varustetun kylvölannoittimen aiheuttama polttoaineen kulutus on vaihdellut 6 12 l/ha riippuen edeltävästä muokkauksesta ja maan kovuudesta. Savisella hiedalla lukemat olivat n. 20 % alhaisemmat kuin jäykällä savella. Toisaalta laahavantailla varustettu ja ilman etumuokkaria ollut takapyöräkylvölannoitin tarvitsi vain 2,5 3 kn/m vetovastuksen, mikä laskennallisesti tarkoittaisi vain noin 4 l/ha tasolla olevaa polttoaineen kulutusta [Arvidsson, J. & Eriksson, E. 2010]. Danforssin [Danfors 1988] mittauksissa kylvölannoituksen polttoaineen kulutus on ollut kivennäismaalla 3 3,5 l/ha. Kylvö on tapahtunut muokkaussyvyyteen (4 5 cm). Kylvölannoittimet ovat olleet 3 m levyisiä nostolaitesovitteisia sivupyöräkoneita, joissa on ollut laahavantaat ja s-piikin tyyppiset lannoitevantaat. Säiliöiden täytösasteesta ei lähteessä ollut mainintaa. Jos kylvöön käytettäisiin hinattavaa säiliöt täynnä olevaa kokonaispainoltaan 4 5 tn painavaa sivupyöräkonetta, olisi kulutus jonkin verran korkeampi suuremman massan vuoksi. Samalla tasolla (n. 3,5 l/ha) ovat myös Työtehoseuran esittämät luvut [Palonen & Oksanen 1993], sekä Saksalaisen hyvin laajan normikirjan luvut (n. 2,5 l/ha) pelkälle kylvölle [Energiepflanzen 2006]. Kovalla savimaalla lukemat ovat olleet hieman korkeampia kuin kevyemmillä kivennäismailla. Toisaalta käytännön kokemus osoittaa, että pehmeillä multa- ja turv la, varsinkin takapyöräkoneen vetovastus ja siten myös polttoaineen kulutus voi olla selvästi suurempi kuin kivennäismailla. Esimerkki 42. Laske traktorin ja kylvölannoittimen yhteinen kulkuvastus ja polttoaineen kulutus l/ha, kun traktorin massa on 5000 kg ja täyden 3 m leveän takapyöräkylvölannoittimen 4000 kg. Vantaita maahan painavaa voimaa ei laskelmassa huomioida. Säiliön massasta 2/3 on takapyörillä (vierimisvastuskerroin 0,15) ja 1/3 traktorilla (vierimisvastuskerroin 0,08). Laahakylvövantaan aiheuttama vetovastus on 50 N ja lannoitusvantaan 300 N. Traktorin oletetaan kuormittuvan 10.8 km/h (= 3 m/s) ajonopeudella niin, että moottorin ominaiskulutus on 230 g/kwh (hyötysuhde 36 %), voimansiirron hyötysuhde on 85 % ja vetohyötysuhde 85 % (lukema on korkeahko, koska seuraavassa laskelmassa yksi vetohyötysuhteen osatekijä, vierimisvastusvoima, lasketaan erikseen). Traktorin kulkuvastus: (5000 kg+4000/3 kg) 10 m/s2 0,08 = 5,1 kn. Takapyörien aiheuttama vastus: 2/ kg 10 m/s2 0,15 = 4,0 kn. Vantaiden aiheuttama vastus: N N = 4,8 kn. Kulkuvastus on yhteensä: 13,9 kn. Teho 10,8 km/h ajonopeudella: 13,9 kn 3 m/s = 41,7 kw. Tarvittava traktorin teho: 41,7 kw/(0,85 0,85) = 57,7 kw. Polttoainetta kuluu l/h: 57,7 kw 230 g/kwh = 13,3 kg/h = 16 l/h. Hehtaarin ajomatka m 2 /3 m = 3333 m. Ajoaika 3333 m/(3 m/s) = 18,5 min. Polttoainetta 16 l/h 18,5 min/(60 min/h) = 4,9 l/ha. Laskelmassa on ensin kerrottu akselimassat maan vetovoiman kiihtyvyydellä ja vierimisvastuskertoimilla. Työn teho saadaan kertomalla voima ja ajonopeus keskenään. Tarvittava traktorin moottorin teho saadaan kun jaetaan työn teho hyötysuhteiden tulolla, ja polttoaineen kulutus kertomalla teho ominaiskulutuksella. Lopuksi lasketaan hehtaarikohtainen kulutus. Laskelma ei tässä ota huomioon päiste- ym. hukka-aikaan kuluvaa polttoainetta. Lisäksi laskelma olettaa säiliön olevan täysi koko ajan. Jos arvioidaan säiliön keskimääräinen täytösaste ja otetaan laskelmassa huomioon myös vantaiden konetta keventävä vaikutus, saadaan totuudenmukaisempi lopputulos. Ongelma voidaan ratkaista myös työmäärän avulla seuraavasti. Hehtaari työmäärä on vetovastus kerrottuna hehtaarille vaadittavalla ajomatkalla (13,9 kn 3333 m/ha = 46,3 knm/ha). Tulos voidaan ilmoittaa myös megajouleina (= 46,3 MJ/ha) tai polttoöljyn määränä (= 1,3 l/ha). Tästä voidaan laskea traktorin polttoaineen kulutus jakamalla kulutus traktorin hyötysuhteiden tulolla (1,3 l/ha/(0,85 0,85 0,36) = 5 l/ha. Huomaa, että polttoainetta kuluu lasketun lisäksi myös päiste- ja siirtymäajoissa. Esimerkki 43. Traktori, jonka moottoriteho on 55 kw jaksaa juuri vetää maksimitehon kierrosluvulla 3 m sivupyöräkylvölannoitinta 12 km/h nopeudella. Mikä on kylvötyön hehtaarikohtainen polttoaineen kulutus? Oletetaan traktorin ominaiskulutukseksi 230 g/kwh. Polttoainetta kuluu: 55 kw 230 g/kwh = 12,6 kg/h = 15,2 l/h Hehtaarin kylvömatka: 3330 m Hehtaarin työaika: 12 km/h = 3,3 m/s; 3330 m/3,3 m/s = 16,8 min Polttoainetta kuluu: 15,2 l/h 16,8 (min/ha)/(60 min/h) = 4,2 l/ha Tämän lisäksi polttoainetta kuluu hieman päisteajossa.

69 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 68 Kylvölannoituksen polttoaineen kulutus Tarvittava traktoriteho vaihtelee kylvölannoittimen tyypistä riippuen kw/m Nostolaitesovitteisella kylvölannoittimella ja sopivankokoisella traktorilla kulutus voi olla jopa alle 3 l/ha Suuret säiliöt täynnä takapyöräkylvölannoittimen aiheuttama kulutus on 5-8 l/ha Kylvölannoittimeen kytketyt muokkarit lisäävät kulutusta, mutta vähentäessään yhden kylvömuokkauskerran kokonaiskulutus alenee 4.7 Muokkaus- ja kylvöketjun energian kulutus Kuva 4.10: Eri muokkausmenetelmien ja kylvötyön aiheuttaman polttoaineen kulutus l/ha useiden lähteiden ja omien julkaisemattomien mittausten perusteella laskettuna. Kuviossa s = savimaa ja mm = multamaa Muokkaus- ja kylvömenetelmä ratkaistaan yleensä maaperän, tilan pinta-alan, konekapasiteetin ja kasvibiologisten tekijöiden perusteella. Sen sijaan töiden vaatima suora energian kulutus ei ole ollut valintaperusteissa kovin korkealla. Muokkaus- ja kylvötöiden energian kulutuksessa voi kuitenkin olla menetelmästä riippuen useiden kymmenien litrojen ero, kuten useiden eri tutkimusten ja käytännön havaintojen perusteella lasketusta aineistosta (Kuva 4.10) ilmenee. Erityisesti savimaalla kynnön korvaaminen muilla menetelmillä alentaa selvästi koko ketjun kulutusta. Ohrasadoksi muutettuna erot voivat olla enimmillään satoja kiloja. Yksittäisistä kokeista ovat samankaltaisia kuvioita julkaisseet mm. Arvidsson [Arvidson 2010] sekä Sörensen ja Nielsen [Sörenssen & Nielsen 2005]. Heidän mittauksissaan polttoaineen kulutus aleni noin puoleen, kun perinteisen kylvömuokkausketjun tilalle valittiin kevennetyt menetelmät. Kyntöä korvaavat menetelmät kuluttavat vähemmän polttoainetta pääasiassa matalammasta työsyvyydestä johtuen, mutta sen lisäksi kylvömuokkaustarve vähenee ja parhaimmillaan jää kokonaan pois. Kyntö jättää maahan karkean pintarakenteen, jolloin kylvömuokkaukseen tarvitaan usein kaksi muokkauskertaa, joskus huonolla kalustolla jopa kolme. Suorakylvössä kulutus on n. 25 % perinteiseen ketjuun verrattuna. Kuvan 4.10 perusteella voidaan todeta, että käyttäjä voi menetelmä-, kone-työsyvyys- ja intensiteettivalinnoilla vaikuttaa hehtaarin muokkaus- ja kylvötöihin kuluvaan polttoainemäärään yhteensä jopa useita kymmeniä litroja vuodessa. On luonnollista, että suurimmat säästöt saadaan jäykillä savimailla, missä jokainen yksittäinen työvaihe kylvöä lukuun ottamatta kuluttaa reilusti enemmän polttoainetta kuin keveimmillä mailla. Savimailla myös kasvinjätteiden sekoittuminen maahan on helpompaa kuin varsinkin turv la, mikä helpottaa valintaa kevennettyjen menetelmien puoleen. Kevyillä kivennäismailla sekä multa- ja turv la erityisesti kyntöön kuluva polttoainemäärä voi olla alhaisimmillaan jopa 10 l/ha tasolla (mm. kirjoittajan julkaisemattomat mittaukset vuodelta 2011). Kun maa näillä maalajeilla kynnön jäljiltä jää parhaimmillaan sellaiseksi,

70 LUKU 4. MUOKKAUS JA KYLVÖ 69 että ennen kylvölannoitusta vain kevyt kyntövakojen tasaus on tarpeen, voi muokkaus- ja kylvötöiden vaatima kokonaiskulutus jäädä alle 20 l/ha. Suorakylvön tasoon (5 10 l/ha) on silti matkaa. Kulutus vaihtelee suuresti tila- ja lohkokohtaisesti, joten asiaan paneutuvan viljelijän on syytä tehdä oma vastaavanlainen laskelma. Traktoreissa yleistyvät polttoaineen kulutuksen seurantalaitteet tekevät tämän melko helpoksi.

71 Luku 5 Nurmikasvien viljely Jussi Esala Seinäjoen ammattikorkeakoulu 5.1 Nurmikasvien käyttö ja korjuu Heinää käytetään pääasiallisena lehmien ja hevosten rehuna. Heinä säilytystä varten on kolme erilaista varastointitapaa. Kuiva heinä. Heinä kuivataan niin kuivaksi, ettei mikrobit pysty pilaamaan sitä. Säilörehu. Tuoreeseen tai esikuivattuun heinään lisätään happoa, jolloin happamuus estää mikrobien kasvun. Ilmatiivis säilöntä. Esikuivattu heinä säilötään ilmatiiviisti, jolloin mikrobien toiminta estyy. Kaikkia edellämainittuja tapoja käytetään heinän varastoimiseen. Kuivan heinän teko oli aikoinaan suosituin säilytystapa. Sen ongelmana on suuri sääriippuvuus. Jotta heinä olisi riittävän kuivaa, tarvitaan kolmen - viiden vuorokauden poutajakso. Tuollaisen jakson todennäköisyys on heikko ja huonona vuotena luolla kuivaukseen soveltuvia päiviä ei ole [Laine 1996]. Jos kuivaa heinää halutaan, silloin kannattaa käyttää latokuivausta. Heinä kuivataan luolla 30-40% kosteuteen parin päivän aikana ja loppukuivaus tehdään heinäkuivurissa. Heinän kuivumista voidaan nopeuttaa murskaamalla kasvusto, jolloin korsien ja lehtien solukot avautuvat ja kuivuminen nopeutuu. Heinä murskataan yleensä niiton yhteydessä. Kuivumista voidaan edistää myös pöyhinnällä, jolloin luon alla oleva heinä saadaan myös kuivumaan. Säilörehun korjuu voidaan tehdä usealla eri tavalla. Tekoon liittyy lähes aina esikuivaus. Sillä tehostetaan korjuuta, koska poistunut vesi vähentää kuljetustarvetta ja parantaa korjuukoneiden toimintavarmuutta (katso kappale 3.8.4). Esikuivaus vähentää tai poistaa myös rehun puristenesteongelmaa. Esikuivattu heinä voidaan korjata pellolta silppurilla, noukinvaunulla tai paalaimella. Nämä myös silppuavat heinää, jolloin heinän tilavuuspaino (kg/m 3 ) lisääntyy ja varastointitilan tarve vähenee. Paalit saadaan säilymään käyttämällä säilöntäainetta ja käärimällä ne ilmatiiviisti muoviin. Heinän korjuuketjun voi siten tehdä monella eri tavalla ja valinnassa pitää ottaa huomioon investoinnit, työvoima, konekapasiteeti, sääriskit ja kuljetukset. Tämän takia myös urakointi on lisääntynyt. Se vapauttaa investoinneista ja korjuutyön teosta. Korjuuketjujen energian kulutuksia ei ole analysointi, eikä siihen löydy riittävästi tutkittua aineistoa, jotta se voitaisiin tehdä kattavasti. Säilörehun korjuuseen liittyy myös sen oikea-aikaisuus. Tätä mitataan rehun sulavuudella eli D-luvulla. Nurmen vanhetessa sen sulavuus heikkenee mutta vastaavasti satotaso kohoaa. Korjuu pitäisi ajoittaa siten, että D-arvo olisi vielä suhteellisen korkea. D-arvon ennustetta voi seurata internetistä sivulta: Traktori ja työkone nurmikasvien sadonkorjuussa Nurmikasvien sadonkorjuussa traktorin polttoaineen kulutus johtuu useasta tekijästä. Polttoaineen kulutuksen osatekijät ovat traktorin moottorin hyötysuhde, voimansiirron ja hydrauliikan hyötysuhteet, traktorin omaan kulkemiseen tarvittava polttoaine, varsinaiseen työhön tarvittava polttoaine ja käyttäjän tai traktoriautomatiikan kyky säätää moottorin kuormitus polttoaineen kulutuksen kannalta optimaaliselle alueelle. Tätä on käsitelty laajemmin kappaleessa 2. Nurmikasvit korjataan yleensä hyvin voimakkaan kasvun aikana. Tällöin kasvit ovat normaalisadannan oloissa hyödyntäneet suuren osan maan kosteusvaroista, joten maan kantavuus on yleensä hyvä. Kasvien juuristo 70

72 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 71 vielä lisää kantavuutta. Tämän vuoksi traktorin ja työkoneiden renkaiden vierimisvastuskertoimet ovat suuruusluokaltaan n. 0,05, eli keskimäärin hieman alhaisempia kuin maan muokkauksen yhteydessä. Tosin multaja turv la, ja kivennäismaillakin maan ollessa hyvin kosteaa, kantavuus voi olla huonompi, jolloin vierimisvastuskerroin voi olla jopa 0,1 (taulukko 2.2). Osa nurmenkorjuutöistä vaatii traktorilta vain pienehkön tehon, eikä massaakaan tarvita kovin paljoa, koska vetovoiman tarve on pieni. Esimerkiksi pöyhinnässä tai karhotuksessa on käyttäjän päätettävissä, käyttääkö työhön pientä vai suurta (painavaa) traktoria. Jälkimmäisessä tapauksessa voi työhön käytetty polttoainemäärä olla selvästi edellistä vaihtoehtoa suurempi, sillä suuren traktorin kulkemiseen kuluu enemmän polttoainetta ja suuren traktorin moottori voi kuormittua niin vähän, että polttoaineen ominaiskulutus asettuu pienen traktorin lukemia korkeamme tasolle. Lähes kaikissa nurmikasvien viljelytöissä tarvitaan vetotehon tuottamisen lisäksi voimanulosottoakselin kautta välitettävää tehoa ja monissa töissä lisäksi samanaikaisesti myös hydraulista tehoa. Töille on lisäksi ominaista, että näiden eri tehovirtojen keskinäinen suhde voi muuttua joko trendimäisesti tai enemmän satunnaisesti työn kuluessa. Vetotehon osuus voi olla joissakin töissä (mm. tarkkuussilppurin käyttö ilman perään kytkettyä perävaunua) varsin pieni suhteessa kokonaistehon käyttöön. Työn etenemisen kannalta traktorin massalla on tällöin pienempi merkitys kuin muokkaustöissä. Moottoriteho on sen sijaan keskeisessä roolissa määriteltäessä työn etenemisnopeutta. Voimanottoakselikäyttöisten työkoneiden tehontarvetta on tarkastelut kappaleessa 3.5. Monilla työkoneilla koneen läpi menevä massavirta vaikuttaa suoraan tehontarpeeseen. Ajonopeuden lisääminen lisää massavirtaa (yhtälöt 3.1 ja 3.3). Samoin työleveyden lisääminen lisää massavirtaa. Ajopeus joudutaan valitsemaan työn mukaisesti ja töillä ja koneilla on tietty nopeusalue, jolla ne toimivat. Voimanoton standardinopeus (540 tai 1000 r/min) aikaansaa sen, ettei moottorin nopeudella voida säätää ajonopeutta vaan se on tehtävä vaihteiston avulla. Lisäämällä ajonopeutta traktori kuormittuu paremmin ja polttoaineen ominaiskulutus laskee. Esimerkki 44. Kuinka paljon tehontarve kasvaa, kun 2 m leveän niittosilppurin ajonopeus nostetaan 5 km/h nopeudesta nopeuteen 7 km/h? Heinäsato on 13 tn/ha (tuoresato). Käytetään laskussa yhtälöä 3.10 ja taulukon 3.5 kertoimia. Työsaavutus on nopeudella 5 km/h q t = 5 2/10 = 1 ha/h ja massavirta on 1 ha/h 13 tn/ha = 13 tn/h. P p = , 1 13= 24 kw. Nopeudella 7 km/h saadaan q t = 1,4 ha/h ja massavirta 18 tn/h. P p = , 1 18= 30 kw. Tässä on kyseessä pelkkä voimanottoakseliteho, moottoritehoa tarvitaan myös traktorin ja perävaunun kulkemiseen. Tehovirtojen moninaisuus on hyvään polttoainetalouteen pyrkivälle käyttäjälle haaste. Lisähaasteen tuo se, että ulosottokäyttöisiä koneita täytyy käyttää niille suunnitelluilla pyörimisnopeuksilla. Tämän vuoksi moottorin pyörimisnopeutta ei voi säätää kuormituksen mukaan, ainakaan ajon aikana, vaan täytyy ajaa kiinteällä nopeudella. Viime vuosina traktoreihin on yleistynyt säästövoimanottonopeus, jossa haluttu työkoneen nopeus saadaan alennetulla moottorin nopeudella. Tätä ominaisuutta on hyvä käyttää ainakin niissä töissä, joissa traktorin moottorin teho ei ole työtehoa rajoittava tekijä. Moottorin tehonkäyttöä ja polttoaineen kulutusta voi kuitenkin optimoida säätämällä niissä töissä ajonopeutta, joissa ajonopeus ei ole oleellinen työn laatutekijä. Tässä säädössä portaattoman vaihteiston automaattiset säätöominaisuudet tai powershift- vaihteiston automaattitoiminnot ovat hyvä väline. 5.3 Niitto ja niittomurskaus Niitto on kehittynyt voimakkaasti viimeisten vuosikymmenien aikana. Aikaisemmin yleiset sormipalkkiniittokoneet ovat jääneet pois käytöstä, kelasilppurin ja sitä vastaavan niittokoneen, kelaniittomurskaimen, käyttö on vähäistä, eikä kaksoissilppurikaan ole enää kovin usein vaihtoehto uutta konetta hankittaessa. Tämän vuoksi näitten koneiden käsittely jää tässä esityksessä suppeaksi. Valtaosa tämän päivän korjuusta niitetään lautasniittomurskaimella. Harvemmin niitto perustuu lieriöniittoterään. Koneiden koko ja kytkentä traktoriin vaihtelevat sen sijaan runsaasti, mutta energiankulutuksen näkökulmasta sillä ei ole kovin suurta merkitystä, jos vain työkoneen ja traktorin välinen kokosuhde on oikea ja traktorin moottoria voidaan kuormittaa riittävästi Sormipalkkiniittokone Niitto palkkiniittokoneella ja siihen sopivalla traktorilla olisi energiataloudellisesti edullista. Pelkän niittokoneen voimanottoakselitehontarve on vain 1,2 kw/m [ASAE D497]. Tällöin aikaisemmin yleisen nostolaitesovitteisen niittokoneen käyttötehon tarve olisi vain noin 2 kw. Tämä lukema on ilmeisesti määritelty melko alhaisella työnopeudella ja myös alhaisella satotasolla, sillä italialaisessa kokeessa mitattu voimanottoakselitehon tarve oli 5 kw luokkaa 1,7 m niittopalkilla ajonopeuden ollessa 8 km/h [DLG Prüfbericht 2001a]. Käytännön niittotyötä ajatellen voimanottoakselitehoon täytyy lisätä palkin ja maan välisestä kitkasta syntyvä vetotehon tarve sekä traktorin omaan kulkemiseen tarvittava teho. Käytännön lukemat ovat liki kymmen-

73 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 72 kertaisia, kun niittokonetta käyttävän traktorin tehontarve lisätään niittokoneen tehontarpeeseen. Kun traktoriin kytketään vähän tehoa tarvitseva laite, jää moottorin kuormitusaste alhaiseksi etenkin kun niittokone edellyttää varsin korkeaa moottorin pyörimisnopeutta (ellei käytetä 1000 r/min voa nopeutta). Tällöin moottori kuormittuu vain vähän ja sen ominaiskulutus jää korkeaksi. Palkkiniittolaitetta käytettäessä suurin kuluttaja onkin traktori. Palkkiniittokoneen ja traktorin oikea kokosuhde on vaikea saada kohdalleen, sillä pieninkin traktori on aivan liian tehokas koneen käyttäjäksi. Edellisessä kappaleessa mainitussa Italialaisessa kokeessa [DLG Prüfbericht 2001a] niittokone oli kytkettynä massaltaan 2500 kg traktoriin, jonka teho oli 52 kw. Niittokoneen käyttämiseen oikealla nopeudella (540 r/min) tarvittava moottorin pyörimisnopeus oli korkea (2080 r/min) ja polttoaineen kulutus oli peräti 7,5 l/ha. Esimerkki 45. Laske voimanottoakselin kautta tarvittava energiamäärä (kwh/ha) sormipalkkikoneella niitettäessä. Tehon tarve on 5 kw, terän leveys on 1,7 m ja ajonopeus 8 km/h (= 2,2 m/s). Entä mikä on hehtaarikohtainen kulutus, jos traktorin ja niittokoneen massa on 3000 kg, vierimisvastuskerroin 0,075 ja moottorin teho 60 kw. Terän hankauskitkaa ei oteta huomioon. Hehtaarin ajomatka m 2 /ha /1,7 m = 5882 m/ha = 5,9 km/ha. Pelkkään työhön käytetty ajoaika 5,9 km/ha/ (8 km/h) = 0,74 h/ha (= 44 min). Työn/energian määrä 5 kw 0,74 h/ha = 3,7 kwh/ha, joka vastaisi 100% hyötysuhteella 0,37 l/ha polttoöljyä. Traktorin kulkuvastus 3000 kg 10 m/s 2 0,075 = 2,25 kn. Traktorin etenemiseen tarvittava teho 2,25 kn 2,2 m/s = 4,95 kw + voimansiirtoon ja hydrauliikkaan n. 5 kw = yhteensä n. 10 kw. Niittotyön tehontarve kw on 15 kw = 25 % moottoritehosta. Oletetaan, että moottorin pyörimisnopeus on 1900 r/min (voa nopeus 540 r/min). Tällöin polttoaineen ominaiskulutuksen voidaan olettaa olevan 300 g/kwh. Hehtaarikulutus on tällöin 300 g/kwh 15 kw 0,74 h/ha = 3,3 kg/ha = 4 l/ha. Päisteajo ja se, että niitossa todellinen työleveys on vajaa, vielä lisää hehtaarikohtaista kulutusta. Sormipalkkiniittolaitetta käytetään nykyisin lähes pelkästään vain leikkuupuimureissa. Edestakaisin liikkuva terä aiheuttaa edestakaisin liikkuvia massavoimia, joka aiheuttaa epätasapinoa ja estää leikkuunopeuden kasvattamisen. Kun leikkuunopeutta ei voida lisätä ei myöskään ajonopeutta voida lisätä ja työsaavutus jää huonoksi Lautasniittokone ja lautasniittomurskain Lautasniittokoneessa on pyöriviä teriä, jolloin sen pyörimisnopeutta voidaan nostaa helposti ilman tasapainotusongelmia. Kun pyörimisnopeus on korkea, voidaan myös ajonopeutta lisätä ja niitto voidaan tehdä selvästi sormipalkkiniittokonetta suuremmalla nopeudella. Tällöin myös työsaavutus on suuri. Lautasniittokoneen terän halkaisija on tyypillisesti cm ja kehänopeus m/s. Terän leikkaustapahtuma perustuu terän iskuun ja leikattavan materiaalin hitausvoimiin. Vain pieni osa niittokoneelle johdetusta tehosta kuluu itse leikkaustapahtumaan. Niemöllerin [Niemöller et al 2008] mittauksissa tämä osuus oli vain 35 % kokonaistehosta. Terälautasen ilmanvastuksen voittamiseen kului noin 20 %, ja terälautasen ja heinämateriaalin välisten kitkojen voittamiseen 25 % sekä koko voimansiirtolinjan tehonvälitystappioihin noin 20 %. Viimeksi mainittu ilmenee kulmavaihteiden ja teräpalkin lämpenemisenä. Ilmanvastukseen kuluva osuus nousee terän kehänopeuden myötä. Toisaalta, jos kehänopeutta alennetaan liikaa, voi terän leikkausominaisuudet häiriytyä liian pienen iskuenergian vuoksi. Säilörehun niitto tehdään nykyisin lautasniittomurskaimilla. Murskainyksikkö on useimmiten iskukelatyyppinen, jossa lähes teräpalkin pituiseen akseliin kiinnitetyt varstat käsittelevät katkaistun kasvustomassan. Murskaustehoa voidaan säätää akselin pyörimisnopeutta muuttamalla sekä säätämällä pyörintäkehän ja vastinlevyn tai kamman välistä etäisyyttä. Murskausasteen nosto lisää tehon tarvetta. Jo pelkän murskainyksikön pyöritys kuluttaa tehoa, sillä varstojen pyörimisestä aiheutuu merkittävä ilmanvastus. Tässä suhteessa telamurskain olisi edullisempi. Lautasniittokoneiden polttoaineen kulutustietoja ei ole kovin paljoa saatavilla, mutta konekohtaisia tehontarvemittauksia sen sijaan on. Niistä saadaan laskemalla kohtuullisen hyviä hehtaarikohtaisia kulutuslukemia. Kahdeksan lautasen Claas 3,4 m lautasniittokoneen akselitehon tarve vaihteli 6,2 8,5 kw/m ja kokonaistehontarve 7,5 11,4 kw/m ajonopeuden vaihdellessa km/h (satotaso niittotuoreena n. 40 t/ha, ka sato n. 5,8 t/ha) [DLG Prüfbericht 2010a]. Kun voimaottoakselin nopeus alennettiin 1000 r/min nopeudesta nopeuteen 850 r/min, aleni akselitehon tarve 17 %, mutta lautasten leikkausteho säilyi jopa 20 km/h ajonopeudella. Useiden DLG testien perusteella voidaan arvioida, että niittomurskaimien akselitehon tarve on 9 14 kw/m (ajonopeus km/h). Profi lehden yhdeksän niittomurskaimen testissä akselitehon tarve vaihteli 11,5 16 kw/m 13 km/h ajonopeudella [2]. Terälaite sallii tasaisella pellolla jopa 20 km/h ajonopeuden, jolloin tehontarve on reilusti esitettyä korkeampi. Samoin käy sankassa kasvustossa. Jos taas murskauksen tehoa alennetaan, alenee tehontarve jonkin verran, mutta jo pelkästään lautaniittomurskaimien tyhjänkäyntiteho on 4 5,5 kw/m. Hehtaarikohtainen polttoaineen kulutus riippuu traktorin ja niittomurskaimen kokosuhteesta, joka vaikuttaa traktorin moottorin kuormitusasteeseen ja sitä kautta ominaiskulutukseen (hyötysuhteeseen). Jos kokosuhde on

74 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 73 kohdallaan, moottoirn ominaiskulutus on hyvällä tasolla, n. 250 g/kwh tai jopa alempi. Keskinäinen mitoitus on kohdallaan, jos hyvin sankassa kasvustossa traktori pystyy käyttämään niittomurskainta 15 km/h ajonopeudella moottorin kierrosnopeuden merkitsevästi laskematta asetetusta. Polttoainetta kului Profi lehden testissä vain 2-3 l/ha km/h niittonopeudella ja keskimäärin 12 ha/h työsaavutuksella kahdella eri traktorilla traktorien omien mittarien mukaan. Niittomurskain oli työleveydeltään lähes yhdeksän metrinen Kuhn perhosniittomurskain [Profi practical test 2011a]. Testitraktorin moottoriteho oli n. 11 kw työleveysmetriä kohden. Saksalainen energiakasvinormisto esittää kulutuslukemaksi n. 5 l/ha [Energiepflanzen 2006]. Käyttäjä voi vaikuttaa kulutukseen mm. välttämällä turhan suurta niittopalkin maapainetta ja pitämällä terät hyvässä kunnossa. Niittopalkin ja maan välinen kitkakerroin vaihteli 0,6 0,4 välillä, kun maata vasten oleva kuormitus vaihteli kg. Tämä aiheutti 3,5 10,3 kw vetovoiman tarpeen 3,1 m levyisellä lautaniittokoneella 15 km/h ajonopeudella [DLG Prüfbericht 2010b]. Samanlaisen, mutta työleveydeltään 3,5 m nostolaitesovitteisen lautasniittokoneet vetotehon tarve oli 15 km/h ajonopeudella 8,0 2,0 kw palkin maapaineen vaihdellessa vastaavasti kg [DLG Prüfbericht 2010a]. Vaikka kevennyslaitteistoa käytettiin maltillisesti, oli vaikutus traktorin polttoaineen kulutukseen silti noin puoli litraa tunnissa hehtaaria kohti. Hyvin tylsät terät puolestaan lisäävät traktorin tehontarvetta [Küper 2012] ja alensivat ajonopeutta. Kuperin kokeessa tylsät terät rajoittivat myös ajonopeutta moottoritehon riittämättömyyden vuoksi. Lopputuloksena oli, että terävillä terillä polttoainetta kului 0,96 l/ha, vähän kuluneilla 1,17 ja hyvin kuluneilla 1,79 l/ha. Kulutuslukemat sisältävät vain voimanottoakselikuormituksesta johtuvan kulutuksen ja ne laskettiin murskaimen akselitehon tarpeesta, työsaavutuksesta ja olettamasta, että polttoaineen ominaiskulutus on 250 g/kwh. Jos laskentapohjana olisi vain tarvittava teho ja hehtaarin käsittelyyn tarvittava aika, saataisiin 0,4 0,8 l/ha eli lukemat joissa on vain niittotyö ja se muutettuna energiaksi. Luvut eivät poikkea paljoa esimerkissä lasketusta palkkiniittokoneen lukemasta. Traktorin kulkuvastus riippuu traktorin massasta, renkaiden koosta ja ilmanpaineesta sekä alustan kovuudesta. Siten itse niittotapahtumaan liittyvillä seikoilla ei ole siihen vaikutusta. Vierimisvastuskerroin vaihtelee maan kantavuuden mukaan 0,05 0,1 tasolla. Hinattava niittomurskain ei tarvitse painavaa traktoria, jolloin kevyt ja tehokkaalla moottorilla varustettu olisi ihanteellinen vetokone. Kahden tuhannen kilon tarpeeton massa lisää tuntikulutusta jopa 2 litraa massan siirtotehon lisääntymisen vuoksi. Tämä merkitsee hehtaarikohtaisessa kulutuksessa työleveydeltään 3 4 m olevilla niittomurskaimilla noin 0,5 l/ha, eli noin 10 % lisäystä. Esimerkki 46. Laske niittomurskaukseen kuluva polttoainemäärä l/ha, kun yhdistelmän massa on 6000 kg, traktorin moottorin nimellisteho 90 kw, moottorin ominaiskulutus 220 g/kwh ja käytetty ajonopeus 14,4 km/h (4 m/s) sekä vierimisvastuskerroin 0,07 (palkin kitkahäviöitä ei tässä huomioida). Hinattavan niittomurskaimen työleveys on 3,5 m ja tehollinen työleveys 3,3 m ja ominaistehon tarve 15 kw/m. Peltotyön tehokkuus (varsinaisen niittomurskauksen osuus koko työajasta) on 85 %. Niittomurskaimen tehontarve: 15 kw/m 3,5 m = 52,5 kw. Yhdistelmän kulkuvastus: 6000 kg 10 m/s 2 0,07= 4,2 kn. Yhdistelmän kulkemiseen tarvittava teho: 4,2 kn 4 m/s = 16,8 kw + hydrauliikkaan tehontarve ja voimansiirron tappioita n. 10 kw = n. 27 kw. Traktorin kokonaistehon tarve: 52,5+27 = 79,5 kw. Teho on lähellä nimellistehoa, ominaiskulutus 220 g/kwh. Traktorin tuntikulutus: 220 g/kwh 79,5 kw = 17,5 kg/h = 21,1 l/h. Hehtaarin ajomatka (netto): (10000 m 2 /ha)/3,3 m = 3030 m/ha Hehtaarin työaika: (3030 m/ha)/(14400 m/h) = 0,21 h/ha. Varsinaisen niittoajan kulutus: 0,21 h/ha 21 l/h = 4,4 l/ha. Voimansiirron tappiot koostuvat lähinnä voimanvälityksen sisäisistä tappioista moottorista takapyöriin ja voimanottoakselille ja hydrauliikan tappioista. Vetohyötysuhteen toinen osatekijä vierimisvastus otettiin yllä laskelmassa huomioon ja työn luonteesta johtuen pieneksi jäävä luistohäviö voidaan katsoa kuuluvan 10 kw erään. Käännöksiin ja vajaalla terällä ajoon kuluu 15 % työajasta (85 % tehokkuus). Päisteajossa traktorin tuntikulutus on hieman alempi kuin varsinaisen työn aikana, koska niittomurskaimien käyttöenergia putoaa noin kolmannekseen alkuperäisestä, mutta traktorin kulkuvastus säilyy ennallaan. Päisteajossa moottorin kuormitusaste alenee ja ominaiskulutus nousee hieman. Riittävän tarkka päisteajonkin kattava hehtaarikulutus saadaan kun edellä laskettu kulutuslukema 4,4 l/ha jaetaan 0,85, jolloin tulokseksi saadaan 5,2 l/ha. Jos hinattava niittomurskain olisi ollut työleveydeltään 2,4 m (ajomatkaa 4545 m/ha 2,2 m tehollisella työleveydellä), olisi kokonaistehon tarve ollut 64 kw. Jos ominaiskulutus olisi edelleen 220 g/kwh suuruinen, polttoaineen kulutus olisi esimerkin traktorilla alkuperäisellä ajonopeudella noin 6,3 l/ha eli hieman enemmän kuin suuremmalla niittomurskaimella saavutettu lukema. Ero johtuu lisääntyneestä ajomatkasta ja siihen liittyvästä traktorin kulkemiseen tarvittavasta kulutuksesta.

75 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 74 Nurmen niitto Niittoon käytetään lähes yksinomaan lautasmurskainta Lautasniittokoneen etuna on suurempi ajonopeus, jolloin myös työsaavutus on suuri Tarvittava traktorikoko vaihtelee kw/m Tyypillinen polttoaineen kulutus on 4-6 l/ha 5.4 Pöyhintä Pöyhintään käytettävät laitteet ja niiden toimintaperiaatteet ovat vuosikymmenien saatossa vaihdelleet suuresti. Roottoripöyhin on nykyisin kuitenkin lähes ainut markkinoilla oleva laite. Yhden roottorin työleveys on hieman yli metrin ja niiden lukumäärä määrää koko koneen työleveyden. Pienimmät ja keveimmät ovat koko työleveydeltään vain noin 2,5 m kun taas suurimmat yltävät yli 15 m työleveyksiin. Kaikissa pöyhimissä pöyhintään tarvittava teho saadaan traktorista voimanulosottoakselin välityksellä. Tämän lisäksi tarvitaan tehoa koneen liikkumiseen. Pöyhijän roottorille tulevasta tehosta suurin osa kuluu varsinaiseen työhön, niitetyn heinän siirtämiseen ja heittämiseen, mutta koneen säädöistä riippuen tehoa tarvitaan hieman myös kitkavoimiin piikkien osuessa maahan tai sänkeen. Roottorien pyörimisnopeus (kehänopeus n. 10 m/s) on melko alhainen, joten ilmanvastuksen voittamiseen tarvittava teho on vähäinen. Voimansiirtolinjassa on koneen koosta riippuen muutama laakeri ja kulmavaihde. Tyypillisesti tällaisessa rakenteessa voimansiirtolinjan hyötysuhde on n. 90 %. Koneiden käyttötehon tarve vaihtelee vain vähän. Useiden DLG testien perusteella koneiden käyttämiseen tarvittava kokonaisteho on 1,5 3 kw/m. Tästä valtaosa kuluu akselitehona ja vetotehon osuus on vaihdellut kokonaistehosta 7 25 % välillä. Kooltaan 2 6 roottoria käsittävien pöyhimien käyttötehon tarve on 6 15 kw, mikä on nykyisin käytössä olevien traktorien kokoon suhteutettuna vähän. Suurimpien, 15 m kokoluokkaa olevien pöyhimien, tehontarve on kw, jolloin kw tehoisen traktorin moottori kuormittuu vielä siten, että ominaiskulutus voi jäädä jonkin verran optimikuormitusalueella saavutettavasta. Hehtaarikohtainen polttoaineen kulutus määräytyy vetävän traktorin koon ja käyttötavan perusteella. Jos pöyhintään voidaan käyttää pienitehoista ja kevyttä traktoria, voi polttoaineen kulutus jäädä pariin litraan hehtaaria ja käsittelykertaa kohti. Saksalaisessa testissä 5 m leveällä pöyhimellä polttoaineen kulutus oli n. 3 l/ha, kun työhön käytettiin 2,5 t painavaa 51 kw tehoista traktoria [DLG Prüfbericht 2002]. Palosen ja Oksasen [Palonen & Oksanen 1993] keräämässä aineistossa kulutuslukemat vaihtelivat 1,5 3 l/ha. Aineisto perustuu 3 6 m työleveysluokkaan kuuluvien koneiden käyttöön. On huomioitava, että esitetyt luvut ovat yhden ajokerran lukemia. Pöyhintäkertoja voi olla kuivan heinän korjuussa jopa 3 5 satoa kohti. Tällöin pienistäkin kerta-ajoon liittyvistä säästöistä kertyy jopa usean litran hehtaarikohtainen säästö.

76 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 75 Esimerkki 47. Laske pöyhinnän polttoaineen kulutus kun käytössä on 6,5 m työleveyden omaava kuuden roottorin pöyhin. Käytettävissä on (A) tilan vanha 40 kw tehoinen traktori, jonka massa on 2 t. Moottorista mitattu polttoaineen ominaiskulutus on 240 g/kwh. Toisessa vaihtoehdossa käytetään uutta 5 t painavaa ja 90 kw tehoista traktoria, jonka moottorin polttoaineen ominaiskulutus on parhaimmillaan 220 g/kwh. Molempien traktorien vierimisvastuskertoimeksi oletetaan 0,07, ja työnopeus on 8 km/h (= 2,2 m/s). A. Pöyhimen tehotarve: 6,5 m 2,5kW/m = 16,2 kw. Traktorin kulkuvastus: 2000 kg 10 m/s 2 0,07 = 1,4 kn. Traktorin kulkemiseen tarvittava teho: 1,4 kn 2,2 m/s = 3,1 kw + n. 5 kw hydrauliikkaan ja voimansiirron tappioita = 8 kw. Tehontarve yhteensä: 16,2+8 = 24,2 kw. Tämä on lähellä käyttökierrosluvulla (1700 r/min) saavutettavissa olevaa suurinta tehoa, ominaiskulutus on 240 g/kwh. Polttoaineen tuntikulutus: 24,2 kw 240 g/kwh = 5,8 kg/h = 7 l/h. Hehtaarin ajomatka (netto): (10000 m 2 /ha)/6,5 m = 1538 m/ha. Hehtaarin työaika: (1538 m/ha)/(8000 m/h) = 0,19 h/ha. Polttoaineen kulutus l/ha: 0,19 h/ha 7 l/h = 1,3 l/ha, päisteajo huomioiden n. 1,6 l/ha. B. Pöyhimen tehotarve: 6,5 m 2,5kW/m = 16,2 kw. Traktorin kulkuvastus: 5000 kg 10 m/s 2 0,7 = 3,5 kn. Traktorin kulkemiseen tarvittava teho: 3,5 kn 2,2 m/s = 7,7 kw + 10 kw hydrauliikan ja voimansiirron tappioita = 17,7 kw. Tehontarve yhteensä: 16,2+17,7 = 33,9 kw. Tämä on n. 35 % käyttökierrosluvulla (1700 r/min) saavutettavissa olevasta tehosta, ominaiskulutus 250 g/kwh. Polttoaineen tuntikulutus: 33,9 kw 250 g/kwh = 8,5 kg/h = 10,2 l/h. Hehtaarin ajomatka (netto): (10000 m 2 /ha)/6,5 m = 1538 m/ha. Hehtaarin työaika: (1538 m/ha)/(8000 m/h) = 0,19 h/ha. Polttoaineen kulutus l/ha: 0,19 h/ha 10,2 l/h = 1,94 l/ha, päisteajo huomioiden n. 2,4 l/ha. Voimansiirron tappiot koostuvat voimanvälityksen sisäisistä tappioista moottorista takapyöriin, renkaan ja maan välisestä vetohyötysuhteesta ja hydrauliikan tappioista. Jos pöyhin olisi pienempi, neliroottorinen ja 4,5 m leveä, lisääntyisi hehtaarin ajomatka n. 40 %, mutta traktorien kuormitus alenisi vain n. 5 kw. Ominaiskulutus voisi hieman nousta, ja hehtaarikohtainen kulutus olisi noin 20 % suurempi johtuen pääasiasta lisääntyvistä ajometreistä. Pöyhintä Pöyhintä nopeuttaa karhon kuivumista Pöyhinnän tehontarve on 1,5 3 kw/m ja 3 5 kw/m jos mukaan lasketaan traktorin oma tehontarve Pöyhinnän polttoaineen kulutus on tyypillisesti 2 l/ha pöyhintäkertaa kohti 5.5 Karhotus Karhotukseen käytettävät koneet ovat eriytyneet omiksi erikoiskoneiksi, joilla onnistuu hajallaan olevan materiaalin karhotus sekä olemassa olevien karhojen yhdistäminen tai siirtäminen. Aiemmin markkinoilla oli koneita, joilla voitiin sekä pöyhiä että hoitaa karhotus. Pienimmissä karhottimissa on yksi rataohjatuilla piikeillä varustettu roottori. Tällä ratkaisulla päästään yhteen suuntaan ajaen noin 3 m karhoväliin ja kahteen suuntaan ajaen edelliseen nähden noin kaksinkertaiseen. Suuremmissa, hinattavissa karhottimissa on kaksi tai neljä roottoria ja vastaavat työleveydet yhteen suuntaa ajaen ovat 7 15 m. Karhotukseen tarvittava teho saadaan traktorista voimanulosottoakselin välityksellä. Lisäksi tarvitaan tehoa koneen liikkumiseen. Koneiden käyttötehon tarpeen kohteet ja suuruudet ovat hyvin samankaltaiset kuin edellä pöyhimien kohdalla todettiin. Koneiden massa on työleveyteen nähden noin kaksinkertainen pöyhimiin verrattuna, mutta DLG testien perusteella käyttövoiman tarve (keskimäärin 1,5 kw/m) on hieman pienempi kuin pöyhijöiden vastaavat. Jo kaksiroottoriset ovat hinattavia, jolloin niiden käyttämiseen ei tarvita kovin suurta traktoria (vertaa pöyhin). Neliroottoriset karhottimet ovat kuitenkin painavia. Esimerkiksi työleveydeltään 15 m oleva Vicon 1503 painaa 5600 kiloa, jolloin aivan pienimmät traktorit eivät tule kyseeseen. Testissä tällaisella yllettiin 16 ha/h työsaavutukseen [Profi practical test 2006]. Jos valmistajan suositteleman 65 kw tehoisen traktorin koko teho tarvittaisiin työhön, tulisi hehtaarikulutukseksi noin 1,2 l. Pöyhimen kohdalla esitetyn laskelman tavoin laskien tulee sopivalla karhotin-traktori yhdistelmällä hehtaarikohtaiseksi kulutukseksi 1,5 2 l/ha.

77 LUKU 5. NURMIKASVIEN VILJELY 76 Karhotus Karhotus tehostaa korjuukoneiden käyttöä ja voi vähentää merkittävästi korjuuvaiheen kulutusta Karhotin tarvitsee traktorin jonka moottoiteho on 3 5KW/m Karhotuksen polttoaineen kulutus on tyypillisesti 2 l/ha 5.6 Säilörehun korjuu tarkkuussilppurilla Tarkkuussilppurikorjuu on säilörehun pääkorjuumenetelmä. Tarkkuussilppurien yleisrakenne on hyvin samankaltainen. Kaikissa on noukin, syöttörullat, silppurikela ja näiden käyttämiseksi tarvittava voimansiirto. Itsekulkevissa tarkkuussilppureissa on usein vielä kiihdytinkela heittokyvyn parantamiseksi ja jyvän murskain erityisesti maissisäilörehun korjuuta varten. Valtaosa tarkkuussilppurikorjuun energian kulutuksesta kuluu silppurin toimintoihin. Garbers ja Frerics [Garbers & Frerichs 2001] arvioivat, että itsekulkevalla tarkkuussilppurilla 70 % tehosta tarvitaan materiaalin käsittelyyn, 20 % voimansiirtolinjoihin ja 10 % silppurin kulkemiseen. Materiaalin käsittelyyn tarvittavasta tehosta puolestaan valtaosa kuluu silppuriroottorilla - heittämiseen ja puhaltamiseen 40 %, silppuamiseen 40 % ja loput materiaalin käsittelyyn kohdistuvasta tehosta kuluu noukkkimelle ja sullojarullille [Shinners et al 1991]. O Doghertyn [O Dogherty M.J. 1982] mukaan roottorille tulevasta tehosta noin 35 % kuluu silppuamiseen ja 50 % silpun kiihdyttämiseen, heittämiseen ja puhaltamiseen torvea pitkin kuormaan. Tämän kanssa samankaltaisia tuloksia ovat saaneet Tribelhorn & Smith [Tribelhorn & Smith 1975]. He huomasivat myös, että kelan läpimitan kasvu lisäsi kitkoihin ja heittämiseen kuluvaa tehon osuutta kokonaistahon tarpeesta sekä myös kokonaistehoa suhteessa korjattuun satomäärään. Myös kelan nopeuden nosto lisäsi hieman korjattua rehutonnia kohti laskettua tehontarvetta samoin kuin kierteisten terien vaihto suoriin teriin. Kelan nopeutta tai kehää suurentamalla voidaan kuitenkin lisätä silpun heittovoimaa, mikä on tarpeen pitkillä perävaunuilla tai sivutuulella, mutta tämän hintana on suurempi tehon tarve. Usein kela silppuaa alaspäin leikaten, kuljettaa silpun pitkin kelakammion pohjaa ja heittää takareunalta suoraan ylös. Tämä pohjan kautta kuljettamiseen kuluu osa tehosta (kitkavoiman voittaminen). Shinners, ym [Shinners et al 1991] totesivat ja vahvistivat siten aiemmat ruotsalaiset kokeet, että ylöspäin leikkaavan ja suoraan torveen heittävän kelan tarvitsema teho on noin 30 % pienempi alaspäin leikkaavaan verrattuna, mutta tämän hintana on hieman huonompi heittokyky. Jos heittokykyä parannetaan suuremmalla kelalla tai nopeudella, menetetään osa tehontarve-edusta. Silppuamiseen kuluva energiaosuus kasvaa suuremmaksi silpun pituuden lyhentyessä. Tämän vuoksi itse silppuamistapahtumaan on kiinnitettävä erityitä huomiota. Tässä terän terävyys ja terän ja vastaterän väli ovat tärkeitä. Terävä terä kohdistaa leikkausvoiman hyvin pienelle pinta-alalle, jolloin leikkaus tapahtuu pienemmällä voimantarpeella kuin tylpällä terällä. Terän terävyyttä kuvataan terän kärjen pyöreyssäteellä (Kuva 5.1). Terän pyöreyssäteen tulisi olla alle 0,1 mm, ja O Dogherty (1982) esittää optimisäädön olevan 0,05 mm. Jos säde tästä nousee yli 0,5 tason, voi leikkaamiseen kuluva tehon tarve kasvaa jopa yli kaksinkertaiseksi. Kuva 5.1: Terän terävyyttä kuvataan terän kärjen pyöreyssäteellä. Säde (r) mitataan kohdasta, jossa terän sivun ajateltu jatke poikkeaa terän pinnan tasosta. Terän ja vastaterän välin tulisi olla alle 0,5 mm. Tylsä terä yhdessä suuren terävälyksen kanssa johtaa leikaavan katkaisutapahtuman sijaa repivään, mikä voi moninkertaistaa tehon tarpeen [McClure & Hall 1992] (Kuva 5.2). Heinrich [Heinrich 2000] on raportoinut hyvin samankaltaisia tuloksia saksalaisesta tutkimuksesta. Tutkimuksen perusteella hyvin terävillä terillä terävälys ei oleellisesti lisännyt massavirtaan suhteutettua tehon tarvetta, mutta hieman tylsillä (terän säde 0,1 mm) jo 0,3 mm terävälys aiheutti 50 % lisäyksen ja 0,3 mm terän säde yli kaksinkertaisti tehontarpeen. Jos terävälys oli 0,6 mm, kaksinkertaistui tehontarve 0,3 mm terävälyksen lukemiin verrattuna. Tämän vuoksi valmistajat yleensä suosittelevat terien teroittamista kerran työpäivässä. Teroitettaessa terä lyhenee, joten terän ja vastaterän väli on muistettava säätää. Samoin terän ly-