Soil-tyre interaction analysis for agricultural tractors: modelling of traction performance and soil damage

Tillage operations in farming often require high traction forces applied by tractor wheels. These interact with topsoil via a stress system along the contact surface, this interaction resulting in soil and tyre deformation. Topsoil is subject to normal and tangential stresses at the contact surface. The tangential stress rises sharply with increasing traction force and may cause topsoil among tyre lugs to fail, with the consequent formation of a strengthless layer strongly exposed to erosion and an underlying layer where shear deformations contribute to the alteration of soil structure functionalities. This work aimed to investigate mechanical conditions along the soil-tyre contact surface which lead to topsoil damage. These conditions are analysed in the light of simulations with a soil-tyre interaction model and discussed on the basis of results of specific experimental tests. A semi-empirical model of interaction between the soil and a pneumatic wheel was adapted to simulate the traction performance of mechanical front-wheel drive MFWD vehicles, taking into account the load transfer effect, the multi-pass effect, and the theoretical speed ratio between the front and the rear axles. This model was employed to simulate (i) the traction performance of tractors in terms of drawbar pull, motion resistance due to soil compaction, traction coefficient and traction efficiency as a function of slip, wheel load and tyre inflation pressure; (ii) soil stress paths along the contact surface with tyres; and (iii) the risk of soil failure corresponding to a defined slip level. Several traction tests were performed on four agricultural soils of different texture (clay, clay loam, silty loam, and loamy sand). Four tractors of wide ranging power (40.4 kW, 65 kW, 110 kW, and 123 kW) and weight (25.3 kN, 40 kN, 66.7 kN, and 68 kN) were used. Tractor configurations were varied by changing tyre inflation pressure and tractor weight, and by using dual tyres. Slip normally ranged between 0% and 35%, only in some cases higher values, up to 58%, were reached. The shearing effect on the topsoil due to slip of tractor tyres was investigated on the silty loam agricultural field by measuring longitudinal topsoil displacements along the driving corridors during traction tests. A system of strips orthogonal to the tractor track was spray-painted on the soil surface to enable easy visualisation of the topsoil displacements. The changes in soil hydraulic properties owing to deformation caused by the passage of the 40 kN tractor, both in a self-propelled condition without wheel slip, and with high drawbar pull (21.8 kN) and high wheel slip (27%), were compared in the clay loam agricultural field. The mechanical properties of the topsoil were determined in situ on the basis of vertical plate-penetration tests and horizontal plate-shear deformation tests with a tractor-mounted bevameter. Soil stress-strain conditions at contact with a traction tyre were reproduced in the laboratory by means of a direct simple shear box. A Geonor shear box was modified in order to carry out hydraulic conductivity measurements in saturated conditions while shearing the soil sample. Simulations with the soil-tractor interaction model matched measured traction performance with general good agreement (overall mean error of 12% and overall mean residual of 3.30 kN). As soon as the soil failure condition, as simulated by the model, was approached along the soil-tyre contact surface, longitudinal topsoil displacements measured in the silty loam agricultural field clearly increased. The slip values at which soil failure was reached were identified for three configurations of the 40 kN tractor. These slip values should be regarded as indicative limits not to be exceeded in tillage operations in order to avoid topsoil damage in the conditions under consideration. The stress state at the soil-tyre contact surface increased significantly, mostly in terms of shear stress, when the tractor moved with slip rather than without slip. As a consequence, the severity of tractor-traffic-induced soil degradation increased appreciably. The change in soil structure and hydraulic properties measured in the clay loam agricultural field was more pronounced in the first 0.15 m where the total porosity decreases by 11% without slip and 29% with slip, with a reduction in macropores of about 60% and 100%, respectively. The saturated hydraulic conductivity of the shallow topsoil (0 - 0.04 m) turned out to be reduced by about 66% without slip and about 98% with 27% slip. The results of the simple shear tests confirmed that shear deformations may contribute to damage topsoil structure functionalities, decreasing, in most cases, hydraulic conductivity. However, in the samples of clay, clay loam and silty loam, the major decrease in hydraulic conductivity was caused by the deformation during compression. Moreover, it emerged that the effects of shearing on the saturated hydraulic conductivity are mainly controlled by the volumetric strain coupled to the shear strain, and the variation in voids volume of the pore system affects the hydraulic conductivity more than a pure distortional deformation which may alter the water pathways in the sample. The validated approach for modelling tractor traction performance and predicting topsoil damage from the shearing effect due to tyre slip was used as a framework for developing a new Excel module for the third edition of the TASC V3.0.xlsm software: www.agrartechnik-agroscope.ch. This module also provides the power-wheel slip relationship. Four practical tests were set up for the user to enable a fast, simple and reliable mechanical characterisation of topsoil behaviour. Different tractor configurations, soil textures and conditions can be confronted. The limit beyond which topsoil damage is expected to occur is reported in terms of net traction and wheel slip. TASC V3.0 offers a valuable support tool for identifying tractor configurations and soil conditions which optimise traction, resulting in increased fuel saving, reduced tyre wear and limited topsoil damage.

Le lavorazioni dei terreni agricoli in molti casi richiedono elevate forze di trazione sviluppate dalle ruote dei trattori. Uno pneumatico da trazione interagisce con il terreno attraverso un sistema di tensioni lungo la superficie di contatto tra lo pneumatico e il terreno, tale interazione genera deformazioni sia nel terreno che nello pneumatico. Il terreno viene assoggettato a tensioni normali e tangenziali alla superficie di contatto con lo pneumatico. Le tensioni tangenziali aumentano repentinamente all’aumentare della forza di trazione e possono portare il terreno compresso tra le costolature del battistrada dello pneumatico in condizioni di rottura (effetto di taglio del terreno). Ciò determina la formazione di uno strato superficiale di terreno privo di resistenza meccanica e, quindi, fortemente esposto ai fenomeni erosivi, e uno strato sottostante in cui l’effetto delle deformazioni di taglio contribuisce ad alterare le funzionalità della struttura del terreno. Obiettivo di questo lavoro è l’indagine delle condizioni meccaniche all’interfaccia di contatto tra il terreno e lo pneumatico che generano suddetto danneggiamento del terreno. Tali condizioni meccaniche sono state analizzate e discusse sulla base di simulazioni con un modello di interazione terreno-pneumatico e secondo i risultati di specifiche prove sperimentali. Un modello semiempirico di interazione tra il terreno e una ruota pneumatica è stato adattato per simulare le prestazioni di trazione di trattori MFWD, considerando l’effetto di trasferimento del carico sulla ruota, l’effetto del passaggio multiplo sul terreno e il rapporto delle velocità teoriche tra gli assi anteriore e posteriore. Il modello è stato utilizzato per simulare (i) le prestazioni di trazione di trattori MFWD in termini di trazione netta, resistenza al movimento dovuta al compattamento del terreno, coefficiente di trazione ed efficienza di trazione, in funzione dello slittamento degli pneumatici, del carico sulla ruota e della pressione di gonfiaggio degli pneumatici; (ii) i percorsi di tensione del terreno lungo la superficie di contatto con lo pneumatico e (iii) il rischio di raggiungimento delle condizioni di rottura del terreno in corrispondenza di un definito slittamento. Numerose prove di trazione sono state eseguite su quattro terreni agricoli di differente tessitura (terreno argilloso, franco argilloso, franco limoso e sabbioso franco), utilizzando quattro trattori aventi potenza di 40.4 kW, 65 kW, 110 kW e 123 kW e peso di 25.3 kN, 40 kN, 66.7 kN e 68 kN. La configurazione dei trattori è stata variata modificando la pressione di gonfiaggio degli pneumatici, il peso del trattore e utilizzando doppi pneumatici. Lo slittamento è stato controllato in un intervallo di valori generalmente compresi tra 0% e 35%, in alcuni casi sono stati raggiunti valori più elevati fino a un massimo del 58%. L’effetto di taglio del terreno, dovuto allo slittamento degli pneumatici da trazione, è stato studiato sul terreno agricolo franco limoso attraverso la misura degli spostamenti longitudinali del terreno lungo i corridoi di esecuzione delle prove di trazione. Un sistema di strisce ortogonali al corridoio di avanzamento del trattore è stato tracciato con una vernice spray sulla superficie del suolo, al fine di visualizzare in modo semplice gli spostamenti del terreno. Le alterazioni delle proprietà idrauliche del terreno causate dalle deformazioni indotte dal passaggio del trattore di 40 kN sono state confrontate in un terreno franco argilloso in assenza di slittamento e con elevato slittamento (27%) e forza di trazione netta (21.8 kN). Le proprietà meccaniche del terreno sono state determinate in situ sulla base di prove di compressione verticale e prove di deformazione di taglio in direzione orizzontale eseguite con un bevameter installato su di un trattore. Le condizioni di tensione e deformazione del terreno al contatto con lo pneumatico sono state riprodotte in laboratorio per mezzo di una scatola di taglio semplice diretto della Geonor. Essa è stata modificata al fine di eseguire delle misure di conducibilità idraulica in condizioni di saturazione durante la fase di taglio del provino di terreno. Le simulazioni con il modello di interazione terreno-trattore hanno riprodotto le misure delle prestazioni di trazione con elevata fedeltà (errore medio del 12% e scarto medio di 3.3 kN). Quando la condizione di rottura del terreno (simulata dal modello) è stata raggiunta lungo la superficie di contatto terreno-pneumatico, gli spostamenti longitudinali misurati sulla superficie del terreno franco limoso sono aumentati in maniera evidente. I valori di slittamento corrispondenti al raggiungimento della condizione di rottura del terreno sono stati definiti per tre configurazioni del trattore di 40 kN. Tali valori, che possono essere considerati come limiti indicativi nelle condizioni analizzate, non dovrebbero essere superati nelle operazioni di lavorazione del terreno, al fine di evitarne il danneggiamento. Lo stato di stress al contatto terreno-pneumatico è aumentato significativamente in presenza di slittamento, principalmente in termini di tensioni di taglio, con un conseguente aumento apprezzabile del danneggiamento del terreno indotto dal traffico del trattore. Le alterazioni della struttura e delle proprietà idrauliche misurate nel terreno franco argilloso sono risultate più evidenti nei primi 0.15 m di profondità dove è stata misurata una riduzione di porosità totale dell’11% in assenza di slittamento e del 29% in presenza di slittamento, con una corrispondente diminuzione della macroporosità rispettivamente del 60% e del 100%. Le deformazioni indotte dalle ruote del trattore hanno ridotto la conducibilità idraulica in condizioni di saturazione dello strato più superficiale di terreno (0 - 0.04 m) di circa il 66% in assenza di slittamento e di circa il 98% in presenza di uno slittamento del 27%. I risultati delle prove eseguite con la scatola di taglio semplice hanno confermato che le deformazioni di taglio possono contribuire al danneggiamento delle funzionalità della struttura del terreno, riducendo, in molti casi, la conducibilità idraulica. Tuttavia, nei terreni argilloso, franco argilloso e franco limoso la riduzione complessiva di conducibilità idraulica è stata quasi esclusivamente causata dal processo di compressione. La variazione della conducibilità idraulica durante il processo di taglio è stata principalmente controllata dalle deformazioni volumetriche abbinate a quelle di taglio. La variazione di porosità ha influenzato la conducibilità idraulica più della deformazione distorsionale che può alterare i percorsi idraulici all’interno del provino. L’approccio proposto per la modellazione delle prestazioni di trazione e l’identificazione delle condizioni di danneggiamento del terreno dovute all’effetto di taglio causato dallo slittamento degli pneumatici da trazione è stato convalidato sperimentalmente e utilizzato per lo sviluppo di un nuovo modulo Excel per la terza edizione del software TASC V3.0.xlsm: www.agrartechnik-agroscope.ch. Questo modulo simula anche la relazione tra potenza erogata dal motore e slittamento delle ruote. Per permettere agli utilizzatori una semplice e affidabile caratterizzazione meccanica del terreno, sono state messe a punto quattro pratiche prove di campo. L’applicazione consente di confrontare numerose configurazioni del trattore, su vari terreni con differenti condizioni. Il limite oltre il quale è previsto un danneggiamento del terreno è riportato in termini di trazione netta e slittamento. Il TASC V3.0 rappresenta un valido supporto per identificare le configurazioni del trattore e le condizioni del terreno che ottimizzano le prestazioni di trazione, con conseguente riduzione dei consumi di carburante e limitazione dell’usura degli pneumatici e del danneggiamento del terreno.