Projekt 23326/01

Optimierung im Exakt-Feldhäcksler zur Energiereduzierung bei der Zerkleinerung und zur Qualitätssicherung des Häckselgutes

Projektdurchführung

Maschinenfabrik Bernard Krone GmbH & Co. KG
Heinrich-Krone-Str. 10
48480 Spelle

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Feldhäcksler hat sich in den vergangenen Jahren zur Schlüsselmaschine in der Silagekurzgutkette entwickelt. Bei zunehmenden Motorleistungen treten jedoch zwei Probleme in den Vordergrund: Zum einen verringern sich durch die weitgehend starre Kopplung der angetriebenen Bauteile im Häcksler die Wirkungsgrade und führen zu einem überhöhten Energiebedarf mit negativen ökonomischen und ökologischen Effekten. Zum anderen kann die geforderte gleichmäßige Häcksellänge ohne Überlängen nicht mehr garantiert werden, weil objektiv arbeitende Hilfsmittel zur Erkennung der Messerschärfe und zur ständigen Nachstellung der Gegenschneide fehlen. Als Problemlösungen bieten sich an: Entwicklungen im Bereich elektrischer Antriebstechnik ermöglichen entkoppelbare Lösungsansätze bei gesteigerten Wirkungsgraden. Deren Eignung für den mobilen Einsatz in Erntemaschinen soll vergleichend zur kon-ventionellen Technik bewertet und die möglichen Potentiale quantifiziert werden (Teilziel 1). Für garantiert gleichbleibende Häcksellängen soll ein neuer und vielversprechender Ansatz über intelligente Wälzlager versucht werden. Diese sollen mit ihren sensorischen Möglichkeiten zur Erkennung nachlassender Mes-serschärfe und schlecht eingestellter Gegenschneiden herangezogen werden. Zudem ist zu untersuchen, inwieweit die Belastungssignale aus den Vorpresswalzen und der Häckseltrommel das Antriebsstrang-management positiv beeinflussen können (Teilziel 2).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine Aufgliederung der beiden Teilziele in je drei Versuchseinheiten erlaubt eine parallele Bearbeitung:
Teilziel 1:
I-I Entwicklung eines diesel-elektrisch betriebenen Maiserntevorsatzes als Grundlage für eine vergleichende Bewertung hydraulisch-mechanischer und elektrischer Antriebssysteme
I-II Feldversuche als Grundlage für Prüfstandsversuche zur Ermittlung typischer Antriebsbelastungen zur Steuerung des Prüfstandes und Validierung der Prüfstandsversuche
I-III Prüfstandsversuche zur reproduzierbaren Ermittlung der Triebstrangwirkungsgrade und Bewertung des hydraulisch-mechanischen und elektrischen Vorsatzantriebes
Teilziel 2:
II-I Grundlegende Prüfstandsversuche zur Messgrößenbereitstellung für Steuerungs- und Regelungsprozesse und Zustandsüberwachung
II-II Feldversuche zur Messgrößenbereitstellung für Steuerungs- und Regelungsprozesse, Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) und Betriebsdatendokumentation
II-III Signalcharakterisierung und systemtheoretische Bewertung


Ergebnisse und Diskussion

Auf Basis von in Feldversuchen gewonnenen Lastkollektiven der hydraulischen Antriebe wurde ein die-selelektrischer Antriebsstrang für Vorsatz und Einzug eines selbstfahrenden Feldhäckslers aufgebaut und in eine Serienmaschine vollständig integriert. Zur Bewertung des Wirkungsgradverhaltens wurden Vorsatz und Einzug gleichzeitig über den Leistungsmesswagen der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft dynamisch belastet. Wobei diese Belastungszyklen die typischen Lastschwankungen mit Lastniveau und Gradient und Wechselwirkungen zwischen beiden Baugruppen statistisch nachbilden.
Diese Prüfstandsversuche zu stationären und dynamischen Betriebspunkten zeigen deutliche Wirkungsgradunterschiede zwischen dem serienmäßig hydraulischen und dem neuen elektrischen Triebstrang auf. Der Einsatz elektrischer Baugruppenantriebe würde den Wirkungsgrad in der Leistungsübertragung von ca. 70 % auf 85 % unter Volllast bei typischen Einsatzbedingungen erhöhen. Im Teillastbereich vergrößert sich der Vorteil weiter auf über 25 %, da die elektrische Leistungsübertragung eine wesentlich geringere Lastabhängigkeit aufweist als die hydraulische.
Allerdings liegt der Schlüssel für einen Serieneinsatz der elektrischen Antriebe in mobilen Arbeitsmaschinen in der Optimierung der Elektromaschinen hinsichtlich Leistungsgewichts. Im Projekt wurden Antriebe mit einem Leistungsgewicht von ca. 6 kg/kW verbaut, hochspezialisierte Lösungen erreichen hingegen die Vorgabe der hydraulischen Komponenten von ca. 1 kg/kW. Die Funktionssicherheit wurde in Feldversuchen 2006 beim Ernten von über 100 ha Silomais unter Beweis gestellt.
Im Bereich des Intelligenten Kugellagers konnten mit dem entworfenen und gebauten Prüfstand die grundsätzlichen Untersuchungen zur Eignung der Intelligenten Wälzlager für landtechnischen Einsatz erfolgreich durchgeführt werden. Das steady state - Verhalten der untersuchten Konfigurationen kann durchaus positiv eingeschätzt werden. Sowohl Radialkraft und Lastwinkel als auch Drehzahl sind durch lineare abhängigkeit einfach zu kalibrieren und mit hoher Grundgenauigkeit von ± 1 % zu erfassen. Auf Seiten des dynamischen Verhaltens hingegen zeigen die verwendeten Prototypen noch gravierende Einschränkungen. Bisherige Einschwingzeiten von 6 bis 40 s stellen die Nutzung für landtechnische Regelungsaufgaben in Frage, allerdings zeigt die Auswertung von Rohsignalen auf, dass auch im Bereich von Millisekunden Verhältnisse abgebildet werden können. Bedingt durch die verspätete Verfügbarkeit und wenig ausgeprägte Robustheit der Prototypen war der geplante Feldeinsatz während der Erntekampagne 2006 nicht möglich.
Die derzeit verfügbaren aufbereiteten Sensordaten ermöglichen bereits eine Zustandsüberwachung als Grundlage für ein Teleservice-Konzept oder Betriebsdokumentaion jeweils basierend auf Temperatur, Unwucht und mittlerer Radiallast. Mittels Softwareadaption ist auch die Einstellung der Gegenschneide realisierbar. Als kritisch wird hingegen die Auswertung des Radiallastsignals zur Detektion von Lastschwankungen für die dynamische Ansteuerung der Baugruppen eingestuft. Gleiches gilt für den Einsatz als Sensor zur Ertragsermittlung. Selbst mit dem jetzigen Dynamikbereich beim Lastwinkel erscheinen leichte Lastwinkelverschiebungen durch unscharfe Messer bzw. nicht optimal eingestellter Gegenschneide auswertbar. Hier handelt es sich um eine kontinuierlich anwachsende bzw. konstante Verschiebung von einem idealen Ausgangswert, der relativ zum optimalen Wert bestimmt werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Gallmeier, M., Auernhammer, H.: Test cycles for dynamic testing and simulation of agricultural equipment. Proceedings of the CIGR World Congress, Bonn, 2006
- Gallmeier, M., Auernhammer, H.: Bewertung stufenloser Antriebssysteme in Arbeitsmaschinen. Workshop VDMA & TH Karlsruhe Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen, Karlsruhe, 2007
- Gallmeier, M.: Elektrische Baugruppenantriebe - eine Alternative zur Hydraulik?. Landtechnik SH(1/07), 2007
- Gallmeier, M., Auernhammer, H.: Hydraulic and electric drivelines for mobile working machines. Proceedings of the Conference Agricultural Engineering 07, Hannover, 2007
- Ostermeier, R., Auernhammer, H.: Intelligent Bearing- a New Sensor for Agricultural Engineering Applications. Proceedings of the Conference Agricultural Engineering 07, Hannover, 2007
- Präsentation der Ergebnisse bei der Agritechnika 2007 am Stand des Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik der TU München


Fazit

Elektrische Antriebe ermöglichen eine dynamische Baugruppenversorgung bei wesentlich gesteigertem Wirkungsgrad als die bisher serienmäßige Hydraulik. Handlungsbedarf um Serienreife zu erlangen besteht allerdings im Bereich des Leistungsgewichts. Dahingehend optimierte Lösungen zeigen die Machbarkeit auf. Auf Seiten des Intelligenten Wälzlagers zeigt sich interessantes Potential für eine landtechnische Anwendung, wenn die aufgezeigten Defizite bei der Weiterentwicklung berücksichtigt und bewältigt werden. Aber bereits mit der jetzigen Ausbaustufe und leichten Softwareadaptionen würde ein Feldtesteinsatz Sinn machen. Zusammenfassend scheint eine Verbrauchssenkung um 15 % auf obigen Ansätzen basierend realisierbar