Entwicklung eines Grenzneigungsmodells für selbstfahrende Arbeitsmaschinen in der Forstwirtschaft

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Der Rohstoff Holz erfreut sich einer zunehmenden Beliebtheit sowohl für die stoffliche Verwendung als auch als Ersatz fossiler Energieträger. Um die langfristig steigende Nachfrage zu befriedigen, müssen bisher ungenutzte und vernachlässigte Rohholzpotenziale für den Markt zugänglich gemacht werden. Ein wichtiger Bereich sind dabei die Hanglagen der Mittelgebirge, die aufgrund der topografischen Schwierigkeiten bei der Holzernte über teilweise ungenutzte Holzreserven verfügen. Neben den ökonomischen Restriktionen der Bewirtschaftung kommt vielfach eine große Unsicherheit über die Grenzen der hochmechanisierten Holzernte bei stärkeren Hangneigungen hinzu.
Die Grenzen entstehen dabei zum einen durch die Standsicherheit der Maschinen, zum anderen durch die verursachten Bodenschäden in Folge der Befahrung. Letztere entstehen in Hanglagen verstärkt durch unangepasste Befahrungen mit zuviel Schlupf. Landwirtschaftliche Untersuchungen (SÖHNE 1952a) zeigen, dass mit zunehmendem Schlupf die Gefahr von Bodenerosion verstärkt wird. Für die vorliegende Fragestellung nach Einsatzgrenzen für die hochmechanisierte Holzernte wird die bodenökologisch vertretbare Schlupfgrenze bei 25 % gesehen. Ein stärkeres „Durchdrehen“ der Antriebsräder führt zum nahezu vollständigen Abscheren des Oberbodens, sodass die locker aufliegenden Bodenpartikel bei stärkerem Niederschlag ausgewaschen werden. Um diese zusätzliche Belastung für die Waldböden zu verhindern, sind objektive Grenzen für den Einsatz bodengebundener Holzerntetechnik erforderlich.
Auf Basis von Zugkraftmessungen in der Ebene wurde daher ein Grenzneigungsmodell für einen Rückezug entwickelt. Überlegungen zur Hangabtriebskraft und damit zum Steigungswiderstand, den die Maschine zu bewältigen hat, zeigen einen direkten Zusammenhang zwischen der Neigung und dem Verhältnis zwischen gemessener Zugkraft und Eigenmasse der Maschine. Der sogenannte Traktionsbeiwert lässt sich anhand von Zugkraft- und Schlupfmessungen unter ebenen Bedingungen bestimmen und in Abhängigkeit des Antriebsschlupfs darstellen. Mit Hilfe von linearen Regressionsmodellen kann das Traktionsvermögen vereinfacht beschrieben und der Hangabtriebskraft gegenübergestellt werden. Neben der maximalen Zugkraft ist dabei der Traktionsbeiwert bei 25 % Schlupf von besonderer Bedeutung, da sich dieser in die Steigung einer noch bodenvertretbaren Befahrung umrechnen lässt.
Als Versuchsraum diente das Südniedersächsische Bergland mit seinen typisch lössdominierten Standorten. Die Zugkraftmessungen weisen den Bodenwassergehalt sowie den Skelettgehalt des Oberbodens als wichtigste Bodenparameter für das Steigvermögen des Rückezugs aus. Während die Variation der Reifen und des Reifeninnendrucks nur geringe Auswirkungen zeigte, ergibt sich eine deutliche Verbesserung des Traktionsvermögens durch die Montage von Traktionshilfsmitteln auf den Forwarder. Anhand dieser Faktoren wurde eine Grenzneigungsprognose für einen bodenökologisch vertretbaren Maschineneinsatz sowie eine an der Abrutschsicherheit orientierte absolute Einsatzgrenze berechnet.
Die Überprüfung der bodenökologischen Einsatzgrenze erfolgte im Rahmen von Validierungsfahrten in Hanglagen bei Steigungen bis zu 40 %. Dabei ergab sich eine Übereinstimmung zwischen der vorherigen Einschätzung (mit max. 25 % Schlupf befahrbar) und der realen Befahrung von über 80 %. Lediglich ein Versuch zeigte dabei eine Unterschätzung des Schlupfniveaus, während in vier Fällen eine Befahrung unterblieben wäre, obwohl diese ohne größere Schäden durch Schlupf möglich gewesen wäre. Eine Überprüfung der absoluten Einsatzgrenzen war im Rahmen der Versuche nicht vorgesehen. Einzelne Befahrungen bei größeren Steigungen zeigten jedoch, dass die Mobilität des Rückezugs deutlich vor Erreichen dieser absoluten Grenze endet.
Sowohl die angegebenen bodenökologischen Grenzneigungen als auch die Fahrversuche bei Steigungen bis 40 % verdeutlichen, dass die rein radbasierte hochmechanisierte Holzernte in Hanglagen an ihre Grenzen stößt. Zum Schutz des Bodens vor Erosionsschäden und für die Sicherheit der Maschinenbediener ist daher ein frühzeitiger Einsatz von Traktionshilfsmitteln oder (Traktions-) Hilfswinden zu empfehlen. Eine entsprechende Tragfähigkeit des Bodens vorrausgesetzt, lassen sich mit Ketten und Bändern Steigungen bis 35 % auch unter feuchten Bedingungen relativ schadlos befahren. Neigungen darüber können nur bei sehr guten Bedingungen bodenökologisch vertretbar befahren werden bzw. erfordern den zusätzlichen Einsatz der Traktionswindentechnik. Über die Winde wird der Schlupf während der Befahrung reduziert, und die Traktionshilfsmittel gewährleisten für den Fall technischer Probleme mit Winde oder Seil die Abrutschsicherheit der Maschine. Die Grenzen dieser Technik ergeben sich zum einen aus der bodenabhängigen absoluten Grenzneigung des Prognosemodells und zum anderen aus den technischen Möglichkeiten der Einzelmaschine, Hangneigungen für den Bediener und die Ladeeinrichtung auszugleichen.