Körnererntetechnik Mähdrescher

Mähdrescher

Stefan Böttinger,

Institut für Agrartechnik, Fg. Grundlagen der Agrartechnik, Universität Hohenheim, Stuttgart

Kurzfassung

Im Berichtszeitraum gab es mehrere Tagungen und Messen mit Schwerpunkten zur Getrei-deernte. Zugenommen haben die Publikation zur Simulation mit der Diskreten Element Me-thode (DEM). Neben der Vereinfachung der Bedienung und der Automatisierung der Ma-schineneinstellung ist die Energieeffizienz auch bei Mähdreschern stärker in den Fokus ge-rückt.

Schlüsselwörter

Mähdrescher, Marktentwicklung, Stoffeigenschaften, Simulation, Automatisierung

Combine Harvester

Stefan Böttinger,

Institute of Agricultural Engineering, Fundamentals of Agricultural Engineering, University of Hohenheim, Stuttgart

Abstract

During the reporting period several conferences and fairs with emphasis on grain harvest have took place. Publications about the simulation according the Discrete Element Method (DEM) have increased by number. Beside the simplification of the use of the machines the automation of the machine settings and also the energy efficiency has become more important.

Keywords

combine harvester, market development, physical properties, simulation, automation

Allgemeines und Marktentwicklung

Die Mähdreschermärkte haben sich im Saisonjahr 2014/15 recht unterschiedlich entwickelt, Bild 1. In Nordamerika ist der Absatz von 13 717 Einheiten im Jahr 2013 auf nur noch 7 329 im Jahr 2015 gefallen. Insbesondere in den USA war der Rückgang um 50 % innerhalb von zwei Jahren sehr stark. Ein ähnlich starker Einbruch des Marktes war dort 1998/99 zu ver-zeichnen. In Westeuropa fiel der Rückgang etwas moderater aus. Nach -10 % in 2014 redu-zierte sich der Absatz nochmals um ca. 5 % auf nun 7 329 Einheiten. In Deutschland stabili-sierte sich der Markt nach einem vergleichbaren Rückgang in 2014 wie in Westeuropa mit einer leichten Erholung um 1,4 % auf 1 891 Einheiten. In Russland sank der Absatz weiter auf nun ca. 4 700 Maschinen in 2015 [1; 2].

Bild 1: Entwicklung wichtiger Mähdreschermärkte [1; 2]

Figure 1: Development of important combine markets [1; 2]

Im Berichtszeitraum haben mit der VDI-MEG Tagung Landtechnik AgEng und dem ASABE Annual International Meeting wichtige nationale und internationale Tagungen stattgefunden, auf denen auch Beiträge zur Technik der Getreideernte präsentiert wurden. Auf der Messe Agritechnica 2015 in Hannover und der SIMA 2015 in Paris wurden von den Herstellern für den Bereich der Getreideernte eine Vielzahl von Verbesserungen im Detail sowie zahlreiche Neuheiten präsentiert. Zum Teil wurden diese mit Gold- und Silbermedaillen ausgezeichnet [3; 4]. Neben der Leistungserhöhung und stabilisierung der Dresch-, Trenn- und Abschei-deprozesse steht weiterhin eine vereinfachte oder automatisierte Maschineneinstellung auf die Erntebedingungen im Vordergrund. Weiterentwickelte Schulungen und Trainings sollen es den Bedienern der Mähdrescher noch besser ermöglichen, die installierte Druschleistung auszunutzen.

Immer wieder wird über neue Maschinenkonzepte diskutiert. Beachtung findet z.B. das Kon-zept Tribine (www.tribine.com), das ab 2016 in Newton, Kansas, USA in Produktion gehen soll. Der Knicklenker mit Allradantrieb hat einen Korntank von 35 m³, der auf dem hinteren Fahrzeugteil angeordnet ist. Die Entleerzeit soll nur 2 Minuten betragen.

Dreschen, Trennen, Reinigen

Neben den Weiterentwicklungen der großen Mähdrescherhersteller gibt es vereinzelt auch Anpassungen konventioneller Erntetechnik an besondere Anbau- und Erntebedingungen wie z.B. bei Mischkulturen, wie sie in Asien stärker verbreitet sind [5].

Zur Stabilisierung der Trenn- und Reinigungsleistung am Seitenhang hat Claas das 4D-System für ihre große Lexion-Baureihe vorgestellt. Durch gesteuerte Klappen an den Trenn-rotoren kann je nach Hangneigung das abgeschiedene Gut verstärkt auf die hangaufwärts-gerichtete Seite des Vorbereitungsbodens der Reinigungsanlage geleitet werden. Dadurch kann die seit langem bekannte 3D-Reinigung mit ihren zusätzlichen Querschwingungen die Verluste am Seitenhang gering halten [6]. Debele et al. [7] untersuchte grundsätzlich das Arbeitsverhalten einer Reinigungsanlage mit Querschwingungen am Seitenhang. Dabei vari-ierte er in der Simulation deren Stärke und den Versatz zur Längsschwingung und überprüfte dies im Labor.

John Deere stellte eine neue entwickelte Reinigungsanlage vor. Das Besondere der Anlage ist die konsequente Anwendung von Leichtbau durch einen Materialmix von unterschiedlichen Stahlblechqualitäten, Gußteilen und Aluminiumprofilen, Bild 2. Dadurch sei eine Ge-wichtsreduktion von 30 % erreicht worden. Als Verbindungstechnik werden Nieten eingesetzt. Dies soll vor allem Vorteile im Platzbedarf bei der Produktion ergeben. Die Reinigung wird zuerst in den T- und W-Modellen und in weiterentwickelter Form im nordamerikanischen Markt für die S-Modelle eingesetzt [8].

Bild 2: Neue John Deere Leichtbau Reinigungsanlage für die W- und T-Serie [8]

Figure 2: New John Deere light weight cleaning shoe for W- and T-series [8]

Für die Untersuchungen an Mähdreschern oder einzelnen Baugruppen wird vermehrt die statistische Versuchsplanung eingesetzt. Sie eignet sich nicht nur für eine Minimierung der nötigen Versuche, sondern kann auch für die Identifikation der relevanten Einflussgrößen auf die jeweiligen Prozesse genutzt werden [9]. Der Blick in die Dresch-, Trenn- und Reini-gungsprozesse selbst ist seit langen ein Wunsch der Forscher und Entwickler. Der Einsatz von High-Speed Röntgenaufnahmen stellt eine Lösung dar, um beispielsweise die Durch-dringung von Körnern durch eine Schicht aus Nichtkornbestandteilen (NKB) räumlich zu er-fassen und darzustellen [10].

Schneidwerke und Strohmanagement

Für Maispflücker werden Optimierungen für Pflückwalzen vorgenommen. Auf Basis von Si-mulationen werden bestimmte Drehzahlen und Drehzahldifferenzen für die Pflückwalzen vorgeschlagen, um Körnerverluste und Körnerbruch zu reduzieren. Erste Laborversuche bestätigen die Simulationsergebnisse [11]. Untersuchungen in einem großen Maisanbaugebiet in China mit verschiedenen Pflückwalzen bei unterschiedlichen Erntebedingungen ergaben ähnliche Verluste an Kolben und Körnern. Sehr starke Unterschiede ergaben sich aber für den Körnerbruch durch die Pflücker [12].

Getreidestroh und -spreu ist in vielen Regionen ein wertvoller Rohstoff, der auch für die Tier-ernährung eingesetzt werden kann. Die Ernte und eine Aufbereitung des Strohs ist mit spe-ziellen „straw combine harvester“ möglich. Deren Einstellung muss auch auf die jeweilige Strohqualität angepasst werden [13]. Unkrautsamen sind häufig im Reinigungsübergang enthalten. Auf der SIMA 2015 wurde der Perard Chaff Harvester vorgestellt, der mit eigenem Fahrwerk neben dem Mähdrescher angebracht werden kann und den Reinigungsübergang sammelt und verpackt. Damit wird eine weitere Verbreitung der Unkrautsamen verhindert [4; 14].

Der Hochschnitt bei Mähdreschern wird nicht nur zur Steigerung der Durchsatzleistung son-dern auch zur Kraftstoffeinsparung diskutiert. Jokiniemi et al. [15] ermittelten bei ihren Versu-chen eine Energieeinsparung von 22 bis 25 %. Allerdings wird für das Mulchen der langen Stoppel in einem separaten Arbeitsgang ca. 10 Prozent-Punkte mehr verbraucht als vorher eingespart wurde. Bei Langstrohablage konnte 17 % Energie eingespart werden. Die höhere Durchsatzleistung von 24 bis 27 % wurde in dieser Untersuchung nicht bewertet. Lundin [16] konnte bei seinen Versuchen durch eine angepasste Einstellung des Strohhäckslers an die tatsächlich nötige Häckselintensität und Aufspleisung den Leistungsbedarf um bis zu 36 % reduzieren.

Die Anforderungen an die Häcksel- und Verteilqualität sind insbesondere in Hochertragsre-gionen sehr hoch. Bei Schneidwerksbreiten von über 10 m ist eine gleichmäßige Verteilung nicht einfach zu erreichen. Claas hat einen Modulbaukasten entwickelt und bietet verschie-dene Häcksler und Verteilaggregate mit unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten an. Der Leistungsbedarf wurde durch den Wechsel von einem hydraulischen zu einem mechanischen Antrieb verringert. Zusätzlich wird mit der automatischen Seitenwindkompensation nun ein erster Schritt zu der Automatisierung des Strohmanagements angeboten [17; 18].

Zürn entwickelte in Kooperation u.a. mit der TU Dresden, HTW Dresden und Gebr. Schuma-cher ein Mähdrescherschneidwerk mit elektrifizierten Funktionsantrieben, das auf der Agri-technica 2015 mit einer Silbermedaille ausgezeichnet wurde [3]. Die einfache Steuer- und Regelmöglichkeit der elektrifizierten Antriebe ermöglichen neue, noch im Detail zu untersu-chende Optimierungen für den Gutfluss [19; 20].

Es wird weiterhin an Alternativen für das konventionelle Getreideschneidwerk gearbeitet. Der Strippervorsatz eines chinesischen Mähdreschers für Reis- und Weizen ist mit einer pneu-matischen Förderung ausgestattet. Sun et al. [21] untersuchte verschiedene Möglichkeiten zur Lärmreduktion bei dem Gebläse.

Antriebe und Fahrwerke

Die Verbrennungsmotoren von Mercedes bei den Claas Lexion Modellen 770 und 780 sind nun auch mit Turbo-Compound ausgestattet. Durch die zusätzliche Turbine im Abgasstrom wird über eine Kupplung Leistung auf die Kurbelwelle übertragen. Dadurch sollen die Motoren bis zu 8 % mehr Leistung bei einem um 3 % verbesserten Volllastwirkungsgrad erreichen [22].

Alle großen Mähdrescher-Hersteller bieten nun Bandlaufwerke für ihre Maschinen ab Werk an. Damit die Räder der Lenkachse ebenfalls mit niedrigem Kontaktflächendruck betrieben werden können, bietet Claas für diese nun ab Werk eine Reifenluftdruckregelanlage zur An-passung des Fülldruckes an die tatsächliche Gewichtsbelastung an [23]. Die Neukirchener Achsenfabrik NAF zeigte eine allradangetriebene Bogie-Achse an einem Mähdrescher.

Zur Optimierung der Mähdrescherantriebe müssen die entsprechenden Last- und Leistungs-kollektive bekannt sein. In [24; 25] wird ein erweitertes Verfahren vorgestellt um aus wenigen aufgenommenen Kollektiven neue abzuleiten und dann im virtuellen Maschinenversuch ver-schiedene Antriebslösungen zu testen und zu bewerten.

Stoffeigenschaften

Die Stoffeigenschaften des Erntegutes beeinflussen die Maschinenleistung. Durch die Ma-schineneinstellungen kann darauf reagiert werden. Ravikanth et al. [26] untersuchte die Mög-lichkeiten zur Erkennung unterschiedlichster Beimengungen und von gebrochenen Körnern in Weizen mit Hilfe von Nah-Infrarot-Bildern (NIR). Dies ist hier mit einer Sicherheit von bis zu 92 % gelungen. Allerdings durften die Proben nur mit einer Art von Beimengung verunreinigt sein.

Für Mais wurden mechanischen Stoffeigenschaften wie die Zugkraft am Stängel und die Pflückkraft am Kolben ermittelt. Diese Stoffeigenschaften können bei der Entwicklung eines Strippers für Maiskolben hilfreich sein [27]. Für die Anpassung eines Reismähdreschers zur Ernte von Borstenhirse müssen die Stoffeigenschaften ermittelt werden. Jun et al. [28] prä-sentieren dazu die Ergebnisse und die geänderten Einstellungen an der Maschine um die Durchsatzleistung zu erhöhen.

Die Festigkeit von Körnerfrüchten kann in Anlehnung an die Wöhlerkennlinien für metallische Werkstoffe ermittelt werden. Erstmals wurde dazu eine Methodik entwickelt und exempla-risch für Weizen angewandt. Noch ist die Methode sehr aufwendig und bedarf einer weiteren Entwicklung. Die Ergebnisse können in der Auslegung von Mähdreschern genutzt werden. Zudem bilden sie eine weitere Grundlage für eine Simulation des Druschprozesses [29; 30].

Simulation

Die Simulation der mechanischen und der verfahrenstechnischen Prozesse im Mähdrescher hat sich zu einem etablierten Werkzeug für die Forschung und Entwicklung entwickelt. Ver-besserungen werden mit der Detailtreue bei der Simulation nach der Diskreten Element Me-thode (DEM) erwartet. Grenzen hierfür sind die Rechenleistungen, damit diese Entwicklung auf in üblichen Entwicklungsprozess integriert werden kann.

Für die DEM-Simulation müssen die Parameter vielfältiger Güter ermittelt werden. Im Projekt ADALS wird eine Datenbank zur Parametrisierung von landwirtschaftlichen Gütern aufgebaut [31]. Körnerfrüchte müssen zuerst in ihrer Form nachgebildet werden. Bei Mais zeigte sich deutlich der Einfluss dieser Form auf die Simulationsergebnisse [32]. Zur weiteren Paramet-risierung von Körnern gehört neben dem Bruchverhalten [29; 30] auch die Stoßzahl. Sie kann aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ermittelt werden [33]. Zhan et al. [34] simulieren den Aufprall von Reiskörnern auf die Fläche eines Verlustsensors. Sie gewinnen aus der Simula-tion Daten wie die maximale Kraft und den Kraftverlauf, die für die Entwicklung eines Ver-lustsensors genutzt werden können.

Zur DEM-Simulation von Halmgut muss ebenfalls der mögliche Aufbau der Halme in der Si-mulation untersucht und dann diese parametrisiert werden. Thielke et al. [35] entwickeln ein Modell für Stroh, parametrisieren und validieren es. Es wird eine erste Anwendung in einem einfachen landtechnischen Förderprozess vorgestellt. Die Prozesse der Halmguternte lassen sich ebenfalls mit einem DEM-Halmgutmodell darstellen [36].

Mit der Abscheidung von Körnern durch eine Stroh- oder Stroh-Spreu-Schicht können die Prozesse auf Hordenschüttlern, auf dem Vorbereitungsboden und auf den Sieben dargestellt werden. Lenaerts et al. [37] untersuchen die Durchdringung von Körnern durch eine vertikal oszillierende Strohschicht. Die Ergebnisse aus der Literatur können gut nachgebildet werden. Es zeigte sich, dass neben den Stoffeigenschaften der größte Einfluss auf die Durch-dringungszeit die Strohmassenbelegung und auch der Korndurchmesser sind. Ma et al. [38] untersuchten mit der DEM-Simulation die Durchdringung und Abscheidung von Körnern durch eine Strohschicht mit unterschiedlicher mechanischer Anregung.

Zur Simulation der Prozesse in einer Reinigungsanlage muss auch die Luftströmung berück-sichtigt werden. Korn et al. [39] zeigen die Möglichkeiten der Strömungssimulation als Ent-wicklungswerkzeug für die Mähdrescherentwicklung auf. Pförtner et al. [40] stellen eine Me-thode vor, wie bei ihnen die strömungstechnischen Eigenschaften von Körnern und von Strohpartikeln für modelliert und verifiziert werden können. Damit ist eine Kopplung der Si-mulation nach der Diskreten Element Methode mit einem simulierten Strömungsfeld möglich.

Elektronik, Bedienung und Automatisierung

An Alternativen zu den bekannten Gutflusssensoren wird immer wieder gearbeitet. Mit einem Laserscanner kann der Ausfluss von Körnern aus einen Behälter nur mit einer Genauigkeit von ca. 90 % erfasst werden [41]. Deshalb ist von einer Übertragung auf mobile Maschinen abzusehen. Unter dem Sieb der Reinigungsanlage können die abgeschiedenen Körner auch mit einem Lichtgitter erfasst werden [42]. Allerdings sind dazu mehrere Sensoren nötig, um die gesamte Siebfläche abzutasten. Die Verbesserung einer existierenden Ertragsmessein-richtung fokussiert sich auf die Algorithmen für die Fehlererkennung und eliminierung, für optimierte Transportverzugszeiten im Mähdrescher und auf den Zeitversatz beim Start und Stop des Dreschens im Feld [43]. John Deere zeigt mit seinem System Active Yield wie mit weiteren Sensoren im Korntank die Füllvorgänge überwacht, Änderungen bei den Guteigen-schaften erkannt und der Ertragssensor neu kalibriert werden kann [3].

Anhand von aktuellen Messdaten kann mit entsprechenden Algorithmen während des Druschprozesses eine Systemidentifikation erfolgen. In [44] wird eine Methode vorgestellt, die geeignet ist, Automatisierungsprozesse im Mähdrescher zu unterstützen. Bormann et al. [45] beschreiben das neu von Claas vorgestellte Überwachungssystem Auto Crop Flow. Die Überwachung der Antriebe soll dem Fahrer ermöglichen, den Mähdrescher mehr an dessen Leistungsgrenze zu betreiben. Sich anbahnende Überlastungen werden anhand des Dreh-zahlabfalles der Antriebe erkannt, der Fahrer wird gewarnt und z.B. der Einzug abgeschaltet. John Deere unterstützt den Fahrer durch die weiterentwickelte und mit einer Silbermedaille bei der Agritechnica 2015 ausgezeichnete Maschineneinstellung Integrated Combine Ad-justment 2 (ICA2) [3]. Verbesserte Körnersensoren und Kameras im Körner- und im Über-kehrelevator informieren den Fahrer über die aktuelle Arbeitsqualität. Weicht diese von einem voreingestellten Wert ab, werden automatisch die Maschineneinstellungen gemäß den vom Fahrer vorgegebenen Prioritäten von Leistung und Qualität optimiert. Simulatoren un-terstützen das Training der Fahrer und bereiten sie auf den Ernteeinsatz vor. Von John Deere wird ein neuer, in eine Mähdrescherkabine integrierter Simulator vorgestellt, der für Schu-lungen zu den Händlern gebracht werden kann [46].

Einsatz und Logistik

Der Einsatz von Mähdreschern und von der gesamten Erntelogistikkette ist im Fokus mehre-rer Entwicklungen. Shearer et al. [47] zeigen ein weiteres Modell um die In-Field Logistik zu optimieren. Busato et al. [48] betrachten dagegen die gesamte Logistikkette bei der Reisernte. Hierbei sind Besonderheiten der Reisernte wie das Abtanken am Feldrand und nur an einer Feldseite beachtet worden. Interessant ist das Ergebnis, dass bei fehlendem Abfuhrgespann und nicht ausreichender Korntankkapazität für eine weitere Feldfahrt, es sich lohnt mit reduzierter Schnittbreite weiter zu arbeiten.

Für die Rückverfolgbarkeit von Getreidechargen wurde schon vor längerem die Beimischung von in nachgebildeten Körnern integrierten RFID-Chips vorgeschlagen. In einer weiteren Arbeit wird die Entmischung der nachgebildeten Körner aus dem Getreide durch Vibrationen, wie sie beim Transport auftreten können, untersucht [49].

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz der Motoren, der Antriebe und der gesamten Maschine steht seit länge-rem im Fokus. Neben den Kraftstoffverbrauchskosten für den Anwender sollen die Emissio-nen der Klimagase reduziert werden. Für eine gerechte Bewertung der Emissionen muss die gesamte Prozesskette von der Feldbearbeitung bis zur Einlagerung betrachtet und auf den Ertrag bezogen werden [50; 51]. Fillingham et al. [52] erstellten ein Modell zur Beschreibung des Kraftstoffverbrauchs eines Mähdreschers. Er validierte es anhand von Messungen an mehreren Maschinen und über verschiedene Ernten. U.a. kann er damit den Einfluss der Maschineneinstellung auf den Kraftstoffverbrauch aufzeigen. Weitere Untersuchungen zur Energieeffizienz von einzelnen Komponenten und Antrieben sind bereits oben genannt [15; 16; 22 bis 25].

Zusammenfassung

Die Märkte für Mähdrescher zeigten sich im Berichtszeitraum meist rückläufig. Weiterent-wicklungen der Hersteller fanden statt mit Schwerpunkt auf die Stabilisierung und die Erhö-hung der Druschleistung. Dies wird neben verbesserten Arbeitselementen verstärkt durch die erleichterte Bedienung und teilweise auch durch automatisierte Maschineneinstellungen er-reicht. Der Einsatz des einzelnen Mähdreschers als Glied der Drusch- und Abfuhrlogistikkette findet vermehrt Beachtung. Dadurch können durch Zeit- und Kraftstoffeinsparungen Kos-tenvorteile erzielt werden.

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Bibliografische Angaben / Bibliographic Information

Empfohlene Zitierweise / Recommended Form of Citation

Böttinger, Stefan: Mähdrescher. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2015. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2016. S. 1-13

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