EFFETTI DI DUE METODI PER LA LAVORAZIONE PRINCIPALE SU TERRENO TENACE: RICHIESTE ENERGETICHE ED ASPETTI QUALITATIVI DEL LAVORO SVOLTO

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. EFFETTI DI DUE METODI PER LA LAVORAZIONE PRINCIPALE SU TERRENO TENACE: RICHIESTE ENERGETICHE ED ASPETTI QUALITATIVI DEL LAVORO SVOLTO R. Fanigliulo, R. Grilli, G. Brannetti, C. Cervellini, D. Pochi CRA-ING, Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura, Unità di ricerca per l ingegneria agraria - CPMA, Centro Prove Macchine Agricole, Monterotondo (Roma) SOMMARIO La lavorazione tradizionale dei terreni basata sull aratura a media profondità può creare una serie di effetti indesiderati quali l eccessivo costo energetico, la creazione di zollosità eccessiva e di strati compattati che ostacolano la crescita radicale e l infiltrazione di acqua, la perdita di elementi fertilizzanti e della fertilità naturale del suolo e l incremento dei fenomeni erosivi negli ambienti collinari. Per tali motivi può essere sostituita da tecniche alternative, tra le quali la lavorazione senza inversione degli strati ed il contemporaneo rovesciamento, affinamento superficiale e miscelazione del terreno con l eventuale biomassa infestante presente in superficie. Il CPMA del CRA-ING, accreditato come Laboratorio di prova n per il rilievo delle prestazioni di macchine per la lavorazione del terreno in conformità alle prescrizioni della norma UNI CEI EN ISO/IEC 17025:2005, ha sottoposto a prove su terreno incolto due operatrici per la lavorazione primaria del terreno: un aratro trivomere reversibile ed un coltivatore-preparatore combinato. Obiettivo di questo studio, condotto nell ambito dell attività di certificazione svolta in collaborazione con l ENAMA, è stato la valutazione delle richieste energetiche e degli aspetti qualitativi del lavoro (zollosità prodotta, mantenimento in superficie di biomassa infestante) con l intento di confrontare, su terreno tenace caratterizzato da tessitura limo-argillosa, l aratura tradizionale con un metodo alternativo. I parametri operativi di ciascun accoppiamento trattore-operatrice sono stati determinati in accordo con il protocollo per il rilievo delle caratteristiche funzionali di macchine per la lavorazione del terreno, proposto dall ENAMA. Le regolazioni delle operatrici hanno previsto una profondità di lavoro di circa 0,40 m ad una velocità d avanzamento di circa 1,4 m s -1, in relazione alle condizioni di lavorabilità del terreno. Parole chiave: prestazioni, lavorazione terreno, trazione, qualità. 1 INTRODUZIONE La lavorazione tradizionale del terreno basata sull aratura a media profondità può creare una serie di effetti indesiderati quali la produzione di zollosità eccessiva e di strati compattati che ostacolano la crescita radicale e l infiltrazione di acqua, la perdita di elementi fertilizzanti e della fertilità naturale del suolo, l incremento dei fenomeni erosivi causati sia dall acqua che dal vento e, non ultimo, l eccessivo costo energetico.

2 R. Fanigliulo, R. Grilli, G. Brannetti, C. Cervellini, D. Pochi Sulla base di tali considerazioni, tale lavorazione può essere vantaggiosamente sostituita da tecniche alternative, tra le quali la lavorazione senza inversione degli strati ed il contemporaneo rovesciamento ed affinamento superficiale del terreno nonché la miscelazione dello stesso con l eventuale biomassa infestante presente in superficie. In questi ultimi anni i costruttori di macchine agricole hanno immesso sul mercato un elevato numero di attrezzature con ampio fronte di lavoro, costituite dall assemblaggio di vari utensili di lavoro allo scopo di assolvere a funzioni agronomiche diverse. L efficacia di tali operatrici, in grado di ridurre l energia spesa per l intervento e di migliorare la qualità del lavoro svolto, dipende essenzialmente dalla tessitura del terreno da lavorare e dalla quantità di biomassa infestante o residui colturali presenti in superficie, al fine di evitare ingolfamento di terreno tra gli utensili di lavoro, soprattutto su terreni tenaci, e consentire così elevate velocità di avanzamento in lavoro ed una uniforme miscelazione ed interramento dei residui su tutta la larghezza di lavoro della macchina (Hanna et al., 1995). Il Centro Prove Macchine Agricole (CPMA) del CRA-ING, accreditato come Laboratorio di prova (n. 1141) da ACCREDIA per la gestione della prova Rilievo delle prestazioni di macchine per la lavorazione del terreno in conformità alle prescrizioni della norma UNI CEI EN ISO/IEC 17025:2005, ha sottoposto a prove di lavorazione, nell ambito dell attività di certificazione delle macchine agricole (Fanigliulo et al., 2003), due operatrici prodotte dalla Nardi per la lavorazione principale del terreno. Le attrezzature sono un aratro trivomere reversibile, per la lavorazione profonda tradizionale, ed un coltivatore-preparatore combinato, costituito da un ripuntatore ad ancore seguito da due serie di dischi con inclinazione opposta per il rovesciamento, la miscelazione con i residui colturali e l affinamento superficiale del terreno; un rullo fresa posteriore consente il livellamento e l ulteriore affinamento della superficie lavorata, oltre al controllo della profondità di lavoro. Tale assemblaggio consente, in un unica passata, la lavorazione profonda e la preparazione del letto di semina anche in presenza di residui colturali e/o biomassa infestante. Obiettivo di tale lavoro è stato quello di valutare i parametri energetici dell accoppiamento trattore-operatrice e la qualità del lavoro svolto, in relazione soprattutto alla capacità di interramento dei residui colturali in funzione della profondità di lavoro e della velocità di avanzamento. Le prove sono state condotte su parcelle di terreno non lavorato, caratterizzate da una tessitura argillosa-limosa e da un grado di copertura del terreno da biomassa infestante pari all 86%, prevedendo la lavorazione profonda del terreno (pari a circa 0,40 m) ad una velocità d avanzamento del trattore di circa 1,4 m s -1, in relazione alle condizioni di lavorabilità del terreno stesso. In tal modo vengono fornite le informazioni tecniche relative agli aspetti funzionali e qualitativi del lavoro svolto (indici di copertura superficiale del terreno, zollosità prodotta, richiesta di potenza dell operatrice) su cui basare il processo di scelta del metodo di lavorazione e delle attrezzature più idonee in relazione alle caratteristiche fisiche del terreno ed alla copertura vegetale presente. 2 MATERIALI E METODI I principali dati tecnici delle macchine operatrici utilizzate per le prove di lavorazione in campo, sono riepilogati nella tab. 1.

3 Effetti di due metodi per la lavorazione principale su terreno tenace Caratteristiche Aratro trivomere Coltivatore-preparatore reversibile combinato Utensili di lavoro avanvomere + vomere + versoio ancore ricurve+ dischi crenati + rullo Profondità di lavoro (m) 0,45 0,45 0,20 Numero utensili 3x (Ø 610 mm) Interasse utensili (mm) ancore 480dischi Massa (kg) Tabella 1. I principali dati tecnici delle operatrici impiegate. Le prove sono state condotte sui campi sperimentali del CRA-ING di Monterotondo (Roma) nel mese di giugno 2011, su parcelle ricavate su un terreno omogeneo a giacitura pianeggiante, con tessitura argilloso-limosa (argilla 54,3%, limo 43,4%, sabbia 2,3%). Nello strato interessato dalla lavorazione, prima di ciascuna lavorazione, sono state rilevate: l umidità relativa, riferita alla massa del terreno secco (pari al 21% nella prova con l aratro ed al 16% in quella del coltivatore), la massa volumica apparente (pari rispettivamente a 1450 e 1600 kg m -3 ) e la resistenza media alla penetrazione (pari rispettivamente a 2,17 e 2,10 MPa). Lo stato superficiale di ciascuna parcella, prima del passaggio delle operatrici, è stato infine caratterizzato attraverso il rilievo dell indice di copertura, dato dal rapporto tra superficie coperta dalla biomassa vegetale e superficie del terreno e determinato mediante una tecnica di analisi d immagine che, tramite specifico software, consente di rilevare e quantificare la biomassa presente in superficie. Per il traino delle diverse attrezzature è stata utilizzata una trattrice a quattro ruote motrici Case IH 270 MX, avente potenza nominale pari a 205 kw e massa complessiva di kg. Precedentemente all esecuzione delle prove, il trattore è stato sottoposto a verifiche al freno dinamometrico per l individuazione delle reali curve caratteristiche del motore. Al termine delle prove, il trattore è stato nuovamente posto al freno allo scopo di riprodurre le condizioni medie di funzionamento del motore durante le prove in campo, che hanno permesso di individuare con precisione i valori di coppia motrice al volano, potenza, consumo orario e specifico di combustibile (Pochi et al., 1996). La catena strumentale utilizzata per lo svolgimento delle prove in campo è composta, come mostrato da Pochi & Fanigliulo (2010), da un encoder incrementale, montato sull asse di una ruota motrice posteriore del trattore, per la misura del numero di giri utilizzato nel calcolo dello slittamento; da una cella di carico monoassiale, a trazione e compressione, con fondo scala da 98 kn, utilizzata per il rilievo della forza media di trazione richiesta dalle operatrici. Il sensore è alloggiato in un apposita barra di traino, atta a prevenire le sollecitazioni trasversali, posta tra un veicolo dinamometrico che traina il sistema trattore-operatrice, con cambio in folle e con operatrice prima in lavoro poi sollevata, alla stessa velocità di avanzamento rilevata durante la lavorazione. Per il rilievo dei parametri operativi di ciascun accoppiamento trattore-operatrice, il CPMA ha realizzato un sistema integrato basato su due distinte unità operative: una un unità di campo ed una di supporto (Fanigliulo et al., 2004). Un sistema di trasmissione dati a radiofrequenza ad alta velocità, realizza il collegamento tra le due unità. L unità di campo è costituita dal trattore e dai sensori di misura su esso installati, da un unità di acquisizione e registrazione dati gestita da un computer posto a bordo (frequenza di campionamento: 10 Hz) e da un sistema di traguardi ad infrarossi, per

4 R. Fanigliulo, R. Grilli, G. Brannetti, C. Cervellini, D. Pochi rilevare l inizio e la fine della base di prova. L unità di supporto, a bordo campo, è costituita da un furgone attrezzato che alloggia, un personal computer e rende il sistema di prova totalmente autonomo nell esecuzione delle prove e nel trattamento dei dati, e consente valutazioni in tempo reale dello stato d efficienza della strumentazione e dell andamento della prova, in modo da poterla ripetere in caso di malfunzionamenti. Nel corso delle prove in campo è così stata rilevata una serie di parametri indicativi delle prestazioni operative delle macchine, distinti in grandezze di base da misurare, i cui dati sono rilevati manualmente o direttamente da appositi strumenti e sensori, e parametri da determinare, i cui dati sono invece calcolati dai precedenti. I parametri operativi da misurare sono: la velocità di rotazione delle ruote, lo sforzo di trazione, il tempo di percorrenza, misure di lunghezza (profondità di lavoro su terreno sodo, larghezza effettiva). I parametri operativi derivati dalle grandezze precedenti sono, invece, la velocità d avanzamento del complesso trattore-operatrice, lo slittamento delle ruote del trattore, il consumo di combustibile, la potenza necessaria per l avanzamento e quella di trazione richiesta dalla lavorazione, la spesa di energia sia per unità di superficie che di volume di terreno smosso. La valutazione della qualità del lavoro svolto dalle operatrici è stata effettuata attraverso l analisi, nello strato di terreno interessato dalle lavorazioni, della zollosità prodotta, del grado di interramento dei residui colturali nonché della rugosità superficiale (Peruzzi et al., 1999). La zollosità prodotta è stata valutata determinando l indice di affinamento del terreno, mediante vagliatura vibrante del suolo e sua suddivisione in sei classi dimensionali, rapportando la massa di ogni classe dimensionali a quella totale del campione. Il grado di interramento dei residui presenti in superficie, invece, è stato calcolato dal rapporto tra gli indici di copertura del terreno incolto e del terreno lavorato. La rugosità superficiale del terreno lavorato è stata determinata, in senso trasversale rispetto alla lavorazione, con un profilometro laser, costituito da un sensore laser che misura la propria distanza dal suolo mentre scorre su un binario metallico orizzontale. Un personal computer acquisisce ed elabora i dati (intervallo di lettura: 10 mm) (Römkens et al., 1988). Tale rilievo, effettuato dopo il passaggio di ogni operatrice, consente di determinare l indice di rugosità, basato sul calcolo della deviazione standard delle altezze rilevate. La profondità di lavoro delle macchine è stata continuamente monitorata tramite il montaggio sul telaio delle operatrici di un trasduttore angolare di posizione, ponendo particolare attenzione al posizionamento degli utensili di lavoro delle operatrici rispetto al terreno, in modo che gli stessi lavorino comunque alla stessa profondità. Riguardo alle condizioni di prova, le operatrici (rispettivamente: aratro trivomere, Tesi A; coltivatore preparatore, Tesi B), sono state testate prevedendo una profondità di lavoro di circa 0,40 m ad una velocità d avanzamento del trattore di circa 1,4 m s -1, in relazione alle condizioni di lavorabilità del terreno ed alle caratteristiche costruttive delle operatrici. In particolare l aratro trivomere è stato utilizzato nella configurazione di lavoro fuori solco. Sul trattore è stata inserita la doppia trazione ed il blocco del differenziale, mentre la leva dell acceleratore è stata regolata nella posizione di massima mandata, in modo da determinare, sulle curve caratteristiche del motore, i consumi di combustibili e la potenza erogata al motore. Tutte le misurazioni sono state riferite ad una base di prova di 100 m e per ogni regolazione adottata sono state condotte almeno tre ripetizioni.

5 Effetti di due metodi per la lavorazione principale su terreno tenace 3 RISULTATI E DISCUSSIONE I risultati delle misurazioni riferite ai principali parametri dinamico-energetici di ciascun accoppiamento trattore-operatrice, sono riportati nella tabella 2. Caratteristiche Tesi A Tesi B valore ± Uy valore ± Uy Velocità media effettiva (m s -1 ) 1,30 0,01 1,41 0,01 Larghezza di lavoro effettiva (m) 1,16 0,01 2,45 0,02 Spessore dello strato lavorato (m) 0,49-0,417 - Profondità di lavoro su terreno sodo (m) 0,347 0,002 0,367 0,001 Sovralzo (m) 0,14-0,05 - Sezione lavorata (dm 2 ) 40,3 0,5 90,7 0,7 Forza media di trazione (kn) 54,4 5,1 43,5 5,2 Potenza di trazione richiesta (kw) 70,8 0,1 61,8 0,1 Forza specifica di trazione (kn dm -2 ) 1,35-0,48 - Consumo orario di combustibile (kg h -1 ) 44,9-35,8 - Consumo unitario di combustibile (kg ha -1 ) 84,1-29,2 - Spesa globale di energia (MJ ha -1 ) Spesa globale di energia per volume smosso (MJ 10-3 m -3 ) Slittamento trattore (%) 16,4 0,3 14,8 0,3 Tabella 2. Risultati medi ottenuti con le operatrici testate nel corso delle prove in campo, con la relativa incertezza estesa di misura (Uy). Il rilievo di alcuni parametri privi della relativa incertezza è avvenuto tramite strumentazioni non sottoposte dal CPMA al sistema di gestione per la qualità e pertanto non risultano sotto accreditamento da parte di ACCREDIA. La tab. 3, invece, mostra i parametri relativi all operatività ed all interazione fra le operatrici testate e il terreno. Caratteristiche Tesi ATesi B Indice di copertura del terreno sodo (%) 85,0 86,1 Indice di copertura del terreno lavorato (%) 0,0 11,6 Grado di interramento della biomassa vegetale (%) ,6 Indice di rugosità superficiale del terreno dopo la lavorazione 8,5 3,6 Indice di affinamento del terreno dopo la lavorazione 0,22 0,66 Tabella 3. Parametri qualitativi del lavoro svolto dalle operatrici testate. Dall analisi dei risultati, si evince come a parità di velocità di avanzamento e profondità di lavoro, il coltivatore-preparatore costituisca una valida alternativa all aratura tradizionale, rispetto alla quale consente una notevole riduzione della spesa globale di energia per unità di superficie (67,7%) e per volume di terreno smosso (69,5%) e della necessaria forza specifica di trazione (63,6%). Tale riduzione diventa ancor più significativa se si considera la necessità di eseguire, dopo l aratura, uno o più interventi di affinamento del terreno. L analisi degli aspetti qualitativi evidenzia la capacità del coltivatore, rispetto all aratro e con un unico passaggio, di pareggiare e di

6 R. Fanigliulo, R. Grilli, G. Brannetti, C. Cervellini, D. Pochi affinare superficialmente anche un terreno tenace, per preparare successivamente un idoneo letto per la semina di un cerale da rinnovo con un solo passaggio di un erpice rotante. La velocità di avanzamento del coltivatore è risultata appropriata poiché non si sono verificati ingolfamenti di terreno tra gli utensili di lavoro, soprattutto tra i dischi miscelatori, che su un terreno tenace hanno lavorato ad una profondità pari a 0,18 m con un angolo di incidenza sul terreno regolato in continuo direttamente dal conducente del trattore. La macchina, infine, ha interrato ben l 86% della biomassa infestante presente in superficie e quindi si caratterizza per un ottima capacità di gestione dei residui e di buona ed uniforme miscelazione degli stessi nello strato di terreno smosso dalle due serie di dischi. La giusta distanza di lavoro tra le ancore del ripuntatore ha determinato un modesto sovralzo in corrispondenza del passaggio dell ancora stessa. Ciò consente una maggiore stabilità ad una trattrice gommata nell eventualità di un successivo lavoro di affinamento superficiale, con un minor slittamento delle ruote motrici. 4 CONCLUSIONI I risultati ottenuti dal coltivatore combinato nel corso delle prove in campo, posti a confronto con quelli di un tradizionale aratro trivomere reversibile, evidenziano un buon grado di frantumazione del terreno ed un ottimo interramento e miscelazione della biomassa vegetale, nonostante la natura argilloso-limosa del terreno e la sua elevata tenacità. Si possono quindi raggiungere, con un unico passaggio e con velocità di avanzamento adeguate alle condizioni di lavorabilità del terreno, buoni risultati di lavorazione in termini di risparmio di energia e di qualità del lavoro. Per tali tipologie di attrezzature combinate risulta determinante la scelta delle distanze di lavoro tra gli utensili, della velocità di avanzamento e della profondità di lavorazione, in relazione alle caratteristiche del terreno ed al lavoro richiesto (contenuto di umidità, resistenza alla penetrazione, grado di frantumazione delle zolle e di copertura del terreno). BIBLIOGRAFIA Fanigliulo, R., Pochi, D. & Santoro, G. L attività ISMA-ENAMA per la certificazione delle macchine per la lavorazione del terreno, Mondo Macchina, 2003, 6, 6-9. Fanigliulo, R., Pochi, D., Volpi, C. & Santoro, G. Sistema mobile per la valutazione delle prestazioni in campo delle operatrici agricole, Rivista di Ingegneria Agraria, 2004, 4, Fanigliulo, R., Vassalini, G., Fornaciari, L. & Pochi, D. Centro Prove I.S.M.A.: nuove strumentazioni e metodologie di riferimento, Mondo Macchina, 2007, 6, Hanna, H.M., Melvin, S.W. & Pope, R.O. Tillage implement operational effects on residue cover, Transaction of the ASAE, 1995, 11(2), Peruzzi, A., Raffaelli, M. & Di Ciolo, S. Proposta di una metodologia per la valutazione della qualità di lavoro di macchine operatrici per la lavorazione del terreno, Rivista di Ingegneria Agraria, 1999, 3, Pochi, D, Ragni, L. & Santoro, G. Un laboratorio mobile per l analisi delle interazioni trattriceoperatrice terreno. Terza parte: comparazione delle metodologie per la valutazione della potenza assorbita dalle attrezzature, Rivista di Ingegneria Agraria, 1996, 27 (4), Pochi, D. & Fanigliulo, R. Testing of soil tillage machinery, In: Dedousis A. and Bartzanas T. (ed) Soil Engineering, Soil Biology Book Series, Vol. 20. Springer, Berlin, pp Römkens, M.J.M., Wang, J.Y. & Darden, R.W. A laser microreliefmeter, Transaction of the ASAE, 1988, 31 (2), UNI CEI EN ISO/IEC 17025:2005. Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e di taratura, Bruxelles, Belgio.