Schon seit einigen Jahren werden beim Düngersteuer sehr erfolgreich hydraulische Antriebssysteme für die Dosierung und auch die Verteilung des Düngers eingesetzt. Daneben haben sich elektrische Antriebsysteme durchgesetzt. Der folgende Beitrag beschreibt die Antriebsarten am Beispiel eines Zweischeibendüngerstreuers.
Zur Verteilung von Mineraldünger haben sich Zweischeibendüngerstreuer zum Standard entwickelt. Arbeitsbreiten von 24 Meter und größer sind etabliert, wobei groß strukturierte Betriebe heute schon Fahrgassensysteme mit 36 Meter nutzen. Die mit steigenden Betriebskosten konfrontierten landwirtschaftlichen Betriebe fordern die Weiterentwicklung von Antriebssystemen, wobei besonders die Energieeffizienz im Vordergrund steht. Dabei weist der Düngerstreuer zusätzlich, aufgrund der hohen Kosten für den Mineraldünger, bedeutende Optimierungspotenziale sowohl zur Erhöhung der Düngereffizienz als auch zur Ertragssteigerung auf. Weiterentwicklungen in der Antriebstechnik der Anbaudüngerstreuer können dazu beitragen diese Optimierungspotenziale zu erschließen.
Daneben ist der Trend zu höherer Produktivität bei den meisten landwirtschaftlichen Betrieben immer noch ein wesentlicher Schwerpunkt. Dabei wird durch größere Arbeitsbreiten und höhere Fahrgeschwindigkeiten versucht, eine Steigerung der Arbeitsproduktivität zu erzielen. Aus diesen Zielen ergeben sich jedoch neue Herausforderungen: Um bei größeren Arbeitsbreiten eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen, ist eine optimale Einstellung und eine Automatisierung der Maschine hinsichtlich ihrer Dosierung und Verteilung unabdingbar.
Typisches Wirkungsgrad-Kennfeld eines 15 cm³-Außenzahnradmotors bei 50 °C.
Vor über 25 Jahren wurde von der Rauch Landmaschinenfabrik GmbH die erste fahrgeschwindigkeitsabhängige elektronische Regelung für einen pneumatischen Düngerstreuer auf den Markt gebracht. Diese hat dem Anwender mittels einer Abdrehprobe und einer Vierfachteilbreitenschaltung eine präzise Düngerdosierung ermöglicht. Seit dieser Zeit haben sich die Anforderungen an die Steuerungen und Regelungen ständig erhöht. Heute ist die Dosierfunktionalität durch Massenstromregelsysteme vollautomatisiert.
Getrieben durch die Komfortanforderungen der Bediener, wurden auch andere Einstellfunktionen automatisiert, so dass es heute möglich ist, einen Zweischeibendüngerstreuer mit all seinen Funktionen vollständig vom Bedienterminal aus einzustellen und zu bedienen.
„Bei großen Stellkräften sind die hydraulischen Stellzylinder immer noch konkurrenzlos.“
Volker Stöcklin, Rauch Landmaschinenfabrik
Antriebsfunktionen beim Düngerstreuer
Die wichtigsten Komponenten und Bauteile eines Zweischeibendüngerstreuers sind nachfolgend beschrieben. Ein trichterförmiger Behälter, häufig zwei Trichter, liegt mit seiner Unterkante dicht oberhalb der beiden Wurfscheiben und bildet mit dem Rahmen die tragende Struktur des Düngerstreuers. Die Wurfscheiben bestehen aus einer ebenen oder konkaven Scheibe, die mit mehreren darauf senkrecht stehenden Wurfflügeln bestückt ist. Das Düngergranulat wird im Behälter durch das Rührwerk in Bewegung gehalten und fließt durch die Dosieröffnung im Behälterboden, die innerhalb der Wurfscheibe auf dem Aufgaberadius liegt.
Vergleich Wirkungsgradkennlinien verschiedener Antriebssysteme.
Der Massenfluss wird am Aufgabepunkt von einer vertikalen Flussrichtung, durch die rotierende Scheibe, schlagartig in eine fliehkraftbedingte Bewegung entlang des Flügels umgeleitet. Die Granulatkörner bewegen sich jetzt in Form eines Haufwerks entlang des Flügels bis zum Scheibenrand. Beim Mitnahmewinkel verlassen sie den Wurfflügel unter dem Abflugwinkel. Dann fliegen sie geradlinig weiter und verlieren an Höhe und Geschwindigkeit. Am Auftreffpunkt nach der Flugweite bleiben die Körner auf dem Boden liegen. Da die Düngerkörner den Wurfflügel zu unterschiedlichen Zeitpunkten verlassen, bildet sich der Streuringsektor mit einer statistischen Verteilung des gestreuten Düngers über den Bereich des Streuwinkels.
Die Streutechnik beim Zweischeibendüngerstreuer kann in die Funktionsbereiche Dosieren und Verteilen aufgeteilt werden. Dabei haben sich zur Steigerung der Präzision der Dosierung automatische Massenstromregelsysteme auf Basis der Gewichts- oder Drehmomentmessung durchgesetzt. Zur Automatisierung der einzelnen Funktionsbereiche beim Düngerstreuer sind zahlreiche Antriebe erforderlich, die mit mechanischen, hydraulischen und elektrischen Antriebssystemen realisiert werden können.
Hohe Dosiergenauigkeit gefordert
Resultierend aus der Anforderung nach hoher Dosiergenauigkeit leitet sich für die Dosierfunktion beim Düngerstreuer eine hohe Positioniergenauigkeit für die entsprechenden Stellantriebe ab. In der Vergangenheit wurde dies durch Hydraulikzylinder mit manuell einzustellenden Anschlägen realisiert, was nur eine recht unkomfortable und unflexible Einstellung der Dosiermenge mittels vorher durchzuführender Abdrehprobe erlaubte. Um eine geschwindigkeitsabhängige Verstellung der Dosierung während der Fahrt zu ermöglichen, haben sich in den letzten Jahren 12V-Elektro-Stellzylinder mit Wegmesssystem zur Ansteuerung der Dosierung durchgesetzt.
Sprungantworten von hydraulischem und elektrischem Streuscheibenantrieb.
Die elektrische Antriebslösung bietet eine Positioniergenauigkeit von <0,5 mm bei überschaubarem technischen Aufwand und Kosten. Durch die direkte Ansteuerung mit der elektronischen Steuerung auf der Maschine über Motorbrücken und dem Zurücklesen des Positionssignals, kann sehr einfach eine Positions- und Geschwindigkeitsregelung realisiert werden. Mit der Einführung von vollautomatischen Massenstromregelsystemen wurde die Dosierfunktion mit einer Regelgröße beaufschlagt, die eine dynamische und präzise Stellbewegung erfordert, um Änderungen im Fließverhalten schnell ausregeln zu können.
Ein wesentlicher Nachteil der 12V-Elektro-Stellzylinder gegenüber der Hydraulik war in der Einführungsphase die geringere Robustheit unter den rauen Einsatzbedingungen am Düngerstreuer mit korrosiven Medien und Staub. Tritt Feuchtigkeit in Verbindung mit Düngerstaub in das Gehäuse des Elektro-Stellzylinders ein, folgt schon nach kurzer Zeit ein korrosionsbedingter Ausfall von Elektromotor, Wegmesssystem oder Kontaktstellen. Vor allem durch die Weiterentwicklung der Dichtigkeit – heutige Komponenten entsprechen der Schutzklasse IP 69k – konnte die Ausfallhäufigkeit stark reduziert und damit die Störanfälligkeit deutlich verbessert werden.
„Auch bei modernen Landmaschinen sind immer noch mechanische, hydraulische und elektrische Antriebslösungen denkbar.“
Volker Stöcklin, Rauch Landmaschinenfabrik
Volker Stöcklin, Konstruktionsleiter bei Rauch, dazu: „Eine vergleichbare Funktion zur Positionsregelung mit Hydraulikzylindern wäre technisch machbar. Aufgrund der höheren Kosten dieser Lösung, bestehend aus Hydraulikzylinder mit externem Wegmesssystem und einem zusätzlichen Ventilsteuerblock mit Proportionaltechnik, wurde dies aber beim Anwendungsfall Düngerstreuer trotz der robusten Technik bisher nicht umgesetzt.“
Künftig werden die Anforderungen hinsichtlich der Positionierdynamik noch steigen, da aufgrund der Einführung der GPS-gesteuerten Teilbreitenschaltung beim Düngerstreuer, vor allem beim Keilstreuen mit hoher Fahrgeschwindigkeit, die Dosieröffnung schnell in ihrer Größe angepasst werden muss. Am Beispiel einer achtfachen Teilbreitenschaltung bei 32 Meter Arbeitsbreite kann dies gut verdeutlicht werden. Hierbei wird die Arbeitsbreite in einzelne Teilbreiten von jeweils vier Meter aufgeteilt und jeder Teilbreitenveränderung eine proportionale Mengenreduzierung zugeordnet. Fährt der Anwender mit 20 km/h durch einen Keilbereich mit 30°, bleiben 6,9 Meter oder 1,2 s um die Arbeitsbreite anzupassen und somit die Menge um 25 Prozent zu reduzieren.
F/v-Diagramm für Elektro-Stellzylinder mit 300N/600N Nennkraft.
Diverse Antriebstechniken fürs Rührwerk
Der Antrieb des Rührwerks beim Düngerstreuer war traditionell mit mechanischen Elementen gelöst. Direkt von der Zapfwelle mittels Exzenterhebel und Freilauf konnte ein großes Übersetzungsverhältnis erreicht werden, um das Rührwerk im Behälter düngerschonend mit einer niedrigen Drehzahl
Volker Stöcklin beim Vortrag im Rahmen der Mobilhydraulik-Tagung in Karlsruhe.
Dadurch wird der Hydraulikmotor im Normalbetrieb in einem sehr ungünstigen Betriebspunkt gefahren, was zu Nachteilen bei der Energieeffizienz führt. Bei der Bewertung der Antriebssysteme ist festzuhalten, dass die Auslegung des Systems in enger Abstimmung mit den jeweiligen Anforderungen der Anwendung erfolgen sollte und bei sinnvoller Auswahl der Antriebsenergie zu optimal zugeschnittenen Antriebslösungen führen kann. „Dabei sind auch bei modernen Landmaschinen immer noch mechanische, hydraulische und elektrische Antriebslösungen denkbar“, verdeutlicht Stöcklin.
Am Beispiel der Entwicklung von Zweischeibendüngerstreuern kann man bei Stellantrieben kleiner Leistung einen klaren Trend erkennen, bei dem sich diese von hydraulischen hin zu elektrischen Antrieben verlagert haben. Vor allem wenn mit geringer Einschaltdauer und Teillastbetrieb gearbeitet wird, spielen die elektrischen Stellantriebe ihre Vorteile aus. „Bei großen Stellkräften sind aber die hydraulischen Stellzylinder immer noch konkurrenzlos“, so Stöcklin. Trotz aller Anstrengungen beim Einsatz hydraulischer Antriebssysteme bei Landmaschinen konnten noch nicht alle Potenziale zur Optimierung ausgenutzt werden. Insbesondere im Zusammenspiel mit modernen Mikrocontrollern bestehen noch weitere Verbesserungsmöglichkeiten. Um die Arbeitsproduktivität beim Düngerstreuer zukünftig weiter zu erhöhen, müssen neue Wege beschritten werden, da man mit 50 Meter Arbeitsbreite an den physikalischen Grenzen angekommen ist.
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In den kommenden Jahren sind vor allem im Bereich der Automatisierung noch einige Weiterentwicklungen bis hin zum komplett selbstüberwachenden und selbsteinstellenden Düngerstreuer zu erwarten. Außerdem werden durch die weitere Verbreitung von regelbaren Antriebsystemen in Form hydraulischer Antriebstechnik oder auch durch die Einführung von elektrischen Antrieben die Möglichkeiten geschaffen, die Maschinen in all ihren Funktionen durch die elektronischen Steuerungen situationsabhängig einzustellen.
Um im Kontext der Feldposition bei hohen Fahrgeschwindigkeiten die Antriebe des Düngerstreuers auf die erforderlichen Maschinenparameter einzustellen, ist künftig eine noch höhere Dynamik erforderlich, die nur durch weitere Optimierung der Antriebe erreicht werden kann.
Autor: Joachim Vogl, Redakteur