Beitrag in Jahrbuch 2016

Prüfwesen Prüfwesen und Qualitätssicherung

Autoren:

Kurzfassung:

Der Trend zu leistungsfähigerer Sensorik und Elektronik insgesamt hält weiter an. Im Be-richtsjahr wurden wichtige Mess- und Prüfverfahren im DLG-Testzentrum neu erarbeitet oder aktualisiert. Moderne Messtechnik als auch neue Prüfverfahren aus der Forschung konnten neue Möglichkeiten eröffnen, um das Prüfwesen zu verbessern und damit die Qualität der Landmaschinen anwendungsspezifisch zu erfassen und zu erhöhen.

Volltext

Jahrbuch Agrartechnik 2016

Prüfwesen

Mess- und Prüftechnik - Qualitätssicherung

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Mess- und Prüftechnik - Qualitätssicherung

Hans W. Griepentrog, Institut für Agrartechnik, Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion, Universität Hohenheim, Stuttgart

Frank Volz, Servicebereich Kommunikation, Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V. (DLG), Frankfurt

Kurzfassung

Schlüsselwörter

Bildanalyse, Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme, Einsatzprofile, Betriebsfestigkeit

Instrumentation and Test Engineering - Quality Assurance

Hans W. Griepentrog, Institute of Agricultural Engineering, Technology in Crop Production, University of Hohenheim, Stuttgart

Frank Volz, Communication & PR, Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V. (DLG), Frankfurt

Abstract

Trends in more sophisticated sensors and electronics are continuing. In the year under re-view important instrumentation and test procedures in the DLG test center were newly elabo-rated or updated. Scientific research contributed new instrumentation as well as test proce-dures to open up new possibilities to describe and improve the quality of agricultural machin-ery.

Keywords

Image analysis, front-camera-monitor-systems, operation profiles, fatigue life

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Messtechnik

Die Messtechnik inklusive der Sensorik ist fundamental für das Prüfwesen und die Prüftech-nik und ist in ihrer Entwicklung weiterhin sehr dynamisch. Insbesondere im Bereich von inno-vativen Kamerasystemen als auch laserbasierten Sensoren gibt es viele Neuheiten, die viel-versprechende Lösungen im landwirtschaftlichen Kontext beschreiben [1, 2]. Die Miniaturi-sierung und drahtlose Vernetzung von Komponenten macht es heute einfacher Daten über relevante Parameter von Maschinen und Prozessen zu erfassen und daraus anschließend Informationen zur Bewertung von Funktionen, Arbeitsqualitäten und Kosten zu generieren. Dabei werden heute zunehmend beispielsweise Cloudsysteme genutzt, wenn die Speicher-kapazität und Leistungsfähigkeit von mobilen Endgeräten nicht ausreichen [3].

Am österreichischen Josephinum in Wieselburg wurde ein webbasiertes Messverfahren zur Bestimmung des Bodenbedeckungsgrades entwickelt [4]. Der Bodenbedeckungsgrad mit lebendem Pflanzenmaterial und toter organischer Masse ist ein bedeutender Parameter für die nachhaltige Bewirtschaftung des Bodens. Über die Quantifizierung dieser Kennzahl kann der Schutz vor Erosion als auch allgemein die Arbeitsqualität von Bodenbearbeitungsgeräten beschrieben werden. Derzeitige Standardmethoden sind entweder zeitaufwendig, wie bei-spielsweise das manuelle Auswerten, oder basieren auf einer qualitativen Schätzung ge-schulter Personen. Erste Bildanalysemethoden mit automatischer Segmentierung und Klas-sifizierung in Boden, Ernterückstände und lebendes Pflanzenmaterial erfordern bisher das manuelle Eingeben diverser Merkmalsschwellwerte.

Die neue Bildanalysemethode basiert auf automatisch gelernten Schwellwerten mittels einer speziellen Technik namens „entangled forest“ [4]. Durch diese Technik werden eine höhere Robustheit und eine bessere Generalisierung erreicht. Die Evaluierung der Methode an Bil-dern unterschiedlicher Lichtbedingungen, bei einer Bodenbedeckung zwischen 0 % und 100 % mit lebender organischen Masse, Stroh bzw. sonstigen Ernterückständen zeigte Ab-weichungen mit einer Standardabweichung von zirka 6 % und ist somit vergleichbar mit ma-nuellen Auswertungen. Für die einfache Nutzung auf dem Feld mittels eines Mobiltelefons wurde der Algorithmus in einen webbasierten Service sowie in einer Android-Applikation im-plementiert.

Erfassung dynamischer Maschinenzustände

Für die Erfassung der dynamischen Betriebszustände von Maschinenkomponenten reichen die Genauigkeiten von Satellitenortungssystemen (RTK-GNSS) mit den zugehörigen absolu-ten 3D-Koordinaten nicht aus. Als Referenz werden aus der Geodäsie stammende zielver-folgende Ortungssysteme (Tachymeter) verwendet, die eine höhere dynamische Genauigkeit und Geschwindigkeit als RTK-GNSS-Systeme aufweisen [5]. Diese messtechnischen Sys-teme haben sich bei der Prüfung von automatischen Traktorlenksystemen bewährt. Es konn-ten in einem weiteren Projekt die Vertikalbewegungen von Direktsäscharen während des Einsatzes erfasst werden. Die Analyse der Bewegungsprofile sollte Hinweise liefern, wie die Gleichmäßigkeit der Kornablage im Boden bei der Direktsaat mit hohen Fahrgeschwindigkei-ten verbessert werden kann [5].

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Unebenheiten von Fahrbahn- und Feldoberflächen

Zielverfolgende Ortungssysteme wurden auch genutzt, um Unebenheiten von Fahrbahn- und Feldoberflächen zu vermessen, um damit beispielsweise deren Einfluss auf die Schwingbe-anspruchung von Fahrzeugkomponenten im Rahmen von Betriebsfestigkeitsuntersuchungen zu ermitteln [6]. Damit stehen aktuelle Daten zur Statusbeschreibung von Straßen, Feldwe-gen und Feldoberflächen zur Verfügung, die von landwirtschaftlichen Fahrzeugen genutzt werden.

Prüftechnik

Im Berichtsjahr 2016 hat das DLG-Testzentrum Technik & Betriebsmittel nahezu 100 Prüf-zeichen für technische Prüfungen vergeben. Die DLG-Maßstäbe und Qualitätsvorgaben ori-entieren sich dabei immer an den Anforderungen der Praxis und entsprechen darüber hinaus neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen.

Viele Prüfungen sind aber forschungs- und entwicklungsbegleitende Prüfungen mit entspre-chendem Prüfbericht an den Hersteller, somit lag die Gesamtzahl technischer Prüfungen um ein vielfaches höher als nach außen durch die Prüfzeichen und veröffentlichten Berichte er-kennbar war.

Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme

Beim Einbiegen eines Traktors mit angebautem Frontgerät auf eine viel befahrene Straße versperren Hindernisse häufig die Sicht des Fahrers zur Seite. Die Situation verschärft sich, je länger das Vorbaumaß, das heißt der Abstand zwischen Lenkradmitte und Fahrzeugvor-derkante, wird. Hier sind nach Straßenverkehrs-Zulassungsordnung (StVZO) zurzeit maximal 3,5 m zulässig. Das ist ein Wert, der im Einzelfall bereits mit nur dem Traktor und bei einge-klapptem Frontkraftheber erreicht wird. Bereits aus früheren Zeiten stammt eine Regelung in der StVZO, dass der Fahrer bei zu großen Vorbaumaßen von einem Einweiser unterstützt werden muss. Das ist heute wenig zeitgemäß, denn ein geforderter Einweiser ist häufig nicht verfügbar oder wenn, dann durch die Situation selber stark gefährdet.

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Bild 1: Beispiel einer Kamerainstallation eines Vorbau-Kamera-Monitor-Systems (VKMS) an einem Frontgerät (Foto DLG, Frankfurt a.M.)

Figure 1: Example of an implemented front-camera-monitor-system (FCMS) for a front device (Foto DLG, Frankfurt a.M.)

Dies gilt für landwirtschaftliche Anbaugeräte wie Frontmähwerke gleichermaßen wie im Kommunalbereich für z.B. Schneepflüge oder Böschungsmulcher. Aus diesem Grund wer-den insbesondere seit Längerem entsprechende Fahrer-Assistenzsysteme entwickelt und auch gefordert, die einen Einweiser ersetzen können. Hauptkomponente dabei sind Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme (VKMS), deren Kameras am Frontanbaugerät fest verbaut sind und die beim Anbauen nur eine elektrische Verbindung zum Monitor in der Kabine benöti-gen.

Im Straßenverkehr sind jedoch nur geprüfte Systeme zulässig. Die 2016 einzige Prüfung in diesem Bereich, hat das Testzentrum Technik und Betriebsmittel der DLG in Groß-Umstadt entwickelt [7]. Mit geringfügigen Ergänzungen wurde der DLG-Prüfrahmen Anfang 2017 durch Veröffentlichung im Bundesverkehrsblatt bundeseinheitlich gültig.

Kamera und Monitor müssen getrennten einsatzrelevanten Klima- und Umweltprüfungen standhalten und insgesamt der rauen Umgebung in der Landwirtschaft und im Kommunal-dienst widerstehen.

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Bild 2: Der Triangle-Discrimination-Test der DLG für Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme (VKMS) (Foto DLG, Frankfurt a.M.)

Figure 2: The triangle dicrimination test of the DLG for a front-camera-monitor-system (FCMS) (Foto DLG, Frankfurt a.M.)

Technisch müssen VKMS auch entfernte Objekte noch in ausreichender Auflösung darstel-len können, was im Triangle-Discrimination-Test (Bild 2) geprüft wird. Hinzu kommt, dass zwischen einem von der Kamera erfassten, realen Geschehen und dessen Darstellung auf dem Monitor eine Signalverzögerung von nicht mehr als 200 Millisekunden auftreten darf. Die DLG-Prüfkriterien sehen vor, dass für jeden Anbautyp eine eigene Prüfung insbesondere in den praxisrelevanten Kriterien Sichtfeld, Schlagtest und Montage durchgeführt werden muss. Die Stabilitätsprüfung des Kameraanbaus und des mechanischen Schutzes werden mithilfe eines Schlagpendeltests ähnlich wie bei Kraftfahrzeugspiegeln durchgeführt.

Inzwischen wurden drei Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme von der DLG geprüft, als für den Einsatz geeignet bewertet und demzufolge mit einem Prüfzeichen „DLG ANERKANNT Ge-samt-Prüfung“ ausgezeichnet [8].

Additiv Trak mit Aktiv-Wirkstoff BL-U 100

Kaum eine Diskussion ist so gespalten wie die über Zusätze für Kraftstoffe und Öle. Fakt ist, dass Einspritzdüsen je nach Nutzung des Traktors und Qualität des verwendeten Diesels verkoken oder versotten können. Die Folge sind eine schlechtere Vernebelung und somit eine schlechtere Verbrennung. Es verschlechtern sich die Abgaswerte und die Motorleistung

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lässt nach. Zur Beseitigung von Verkokungen und um eine Neubildung solcher Ablagerun-gen dauerhaft zu verhindern, bieten verschiedene Anbieter spezielle Zusätze für Dieselkraft-stoffe an. Mit der ERC Emissions-Reduzierungs-Concepte GmbH aus Buchholz hat sich erstmals einer dieser Anbieter mit dem Additiv Trak mit Aktiv-Wirkstoff BL-U 100 einer Prü-fung durch die DLG gestellt [9]. Ziel war der neutrale und unabhängige Nachweis, dass das Additiv verkokte Injektoren reinigen kann und im Weiteren neue Verkokungen verhindert.

Das Additiv wurde in einem standardisierten Test nach der CEC-Testprozedur CEC F-98-08, 7 geprüft, die mit dieser Prüfung erstmals am DLG-Testzentrum etabliert wurde. In dieser Prüfung wird der Dieselmotor zunächst mit einem mit Zink belasteten Diesel gezielt ver-schmutzt (dirty up), was zu einem Leistungsverlust des Motors von 7,01 % von 96,9 kW auf 90,1 kW geführt hat (Bild 3). Anschließend wurde dem belasteten Diesel das Additiv in der Menge von 1 g/kg Diesel zugesetzt. Zur Prüfung, ob das Additiv einen guten Zustand der Injektoren erhalten und somit Leistungsverlusten des Motors durch Verkokung verbeugen kann (keep clean), wurde ebenfalls belastetes Diesel verwendet, das mit einer Additivmenge von 1 g/kg Diesel versetzt wurde. Auch hier wurde nach der vorgeschriebenen Laufzeit überprüft, ob ein Leistungsverlust des Motors eingetreten war.

Bild 3: Zeitlicher Prüfungsverlauf mit gezielter Verschmutzung (dirty up) und nach Zugabe eines Addi-tivs (clean up) [9]

Figure 3: Timeline of a test for an intentionally pollution (dirty up) and with add-on of an additive (clean up) [9]

Nach der vorgeschriebenen Motorlaufzeit des verkokten Motors von 32 h (clean up) konnte die Ausgangsleistung von 97,7 kW wieder erreicht bzw. mit 0,79 % bezogen auf die Aus-gangsleistung sogar minimal überschritten werden. Auch die eingespritzte Dieselmenge pro Kolbenhub und Zündvorgang erreichte mit 47,87 mg nahezu wieder den Ausgangswert von 48,46 mg, nachdem sie im verkokten Motor auf 44,6 mg gefallen war.

Im Rahmen der DLG-Eingangsprüfung für Traktoren an der Zapfwellenleistungsbremse zeigt die Erfahrung, dass eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um ca. 10 % speziell bei den Stickoxiden eine Steigerung der Abgasemissionen, um – je nach Betriebspunkt – bis zu 80

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bis 200 % nach sich zieht. Die Ergebnisse konnten also belegen, dass das Additiv die leis-tungsmindernde und folglich emissionssteigernde Verkokung wirksam beseitigen kann.

Wissenschaftliche Forschung

Einsatzprofile von Maschinen

Ohne die genaue Kenntnis des Einsatzes von Maschinen kann beispielsweise eine Prüfung der Betriebsfestigkeit von Maschinenteilen nicht sinnvoll erfolgen. Aufgrund der hohen Kom-plexität und Variabilität ist es aufwändig allein die zeitlichen Einsatzbedingungen landwirt-schaftlicher Maschinenkombinationen systematisch zu erfassen. Darüber hinaus können Einsatzprofile die Vergleichbarkeit von Maschineneinsätzen verbessern, erlauben eine Ein-ordung hinsichtlich Zeit- oder Energiebedarf für einen betrachteten Zeitraum und geben Hin-weise auf zeitliche Beanspruchungen von Maschinenkomponenten.

Es wurde ein System zur Arbeitszeitanalyse entwickelt, das Maschinenparameter vom ISOBUS des Traktors mit Infrastrukturdaten, wie beispielsweise Feldgrenzen, verknüpft [10, 11]. Durch die weitest gehende Automatisierung der Datenanalyse können größere Daten-mengen in kurzen Zeiträumen analysiert werden.

Es wurde dabei der Einfluss der Flächenstruktur auf Maschineneinsätze anhand von Ein-satzprofilen am Beispiel des Schwadens untersucht. Auf drei ausgewählten Betrieben in West-, Ost- und Süddeutschland wurde je eine Maschinenkombination, bestehend aus Trak-tor und Großflächenschwader, über mehrere Wochen mit einem ISOBUS-Datenlogger und einer GNSS-Antenne ausgestattet. Insgesamt wurden in 150 Maschinenstunden 840 ha Flä-che verteilt auf über 200 Schläge geschwadet. Anhand der erfassten Maschinen- sowie Posi-tionsdaten wurde anschließend jeder Einsatz einer Arbeitszeitanalyse unterzogen. Anschlie-ßend wurde untersucht, inwiefern die ermittelten Einsatzprofile von der regional unterschied-lichen Agrarstruktur beeinflusst werden.

Bild 4 zeigt das Ergebnis der Analyse für drei unterschiedliche Regionen Deutschlands. Für die Beschreibung von Lastzuständen ist beispielsweise relevant, dass die Wegezeiten sich um den Faktor 3 unterscheiden im Vergleich von ost- zu süddeutschen Strukturen.

Die automatisierte Datenauswertung erlaubt sogar eine Zuordnung von Motorparametern von Traktoren zu den Teilzeiten sofern diese auf dem ISOBUS verfügbar sind. Sogar Motor-betriebspunkte nach Motordrehmoment und -drehzahl können für ausgewählte Teilzeiten dargestellt werden. Es wird dadurch deutlich, dass in den verschiedenen Teilzeiten unter-schiedliche Anforderungen an die Maschine gestellt werden [11].

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Bild 4: Einfluss unterschiedlicher Regionen und dessen Betriebsstrukturen auf das Einsatzprofil eines Schwaders [11]

Figure 4: The influence of different regions and their farm structures on operation profiles of a swather [11]

Prüfung Betriebsfestigkeit

Um Landmaschinen realitätsnah hinsichtlich ihrer Betriebsfestigkeit zu testen sind genaue Kenntnisse nicht nur der Einsatzprofile, sondern auch der konkreten Bauteilbelastungen und der Fahrbahn- und Feldoberflächenrauigkeiten von Nöten. Für die unterschiedlichen Zeitan-teile der aus den Einsatzprofilen wird gezeigt, wie groß der jeweilige Beitrag zu den Scha-denssummen ist [12]. So wurde bestätigt, dass Transportfahrten zu den Einsatzfeldern we-sentlichen Anteil haben von Schadenssummen an Lagerpunkten der Aufhängungen von Klappmechanismen insbesondere an Maschinen mit großen Arbeitsbreiten. Auch für die Ar-beit im Feld konnte je nach Maschinenstatus die Beanspruchung differenziert nachgewiesen werden. Über die durchgeführten Untersuchungen kann für unterschiedliche Einsatzprofile eine Empfehlung für ein Testszenario entworfen werden [12].

Zusammenfassung

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Literatur

[1] Vazquez Arellano M., Griepentrog H.W., Reiser D., Paraforos D.S. (2016): 3-D Imaging Systems for Agricultural Applications — A Review. Sensors 16 (5) 618

[2] Reiser D., Vázquez Arellano M., Garrido Izard M., Griepentrog H.W., Paraforos D.S. (2016): Using Assembled 2D LiDAR Data for Single Plant Detection. In: 5th Interna-tional Conference on Machine Control and Guidance (MCG), 5.10.2016, Vichy, France

[3] Paraforos D.S., Vassiliadis V., Kortenbruck D., Stamkopoulos K., Ziogas V., Sapounas A.A., Griepentrog H.W. (2016): A Farm Management Information System Using Future Internet Technologies. IFAC-PapersOnLine 49(16) 324-329

[4] Prankl J., Riegler-Nurscher P., Bauer T. (2016): Bildanalyse zur Ermittlung des Boden-bedeckungsgrades mit lebender und toter organischer Masse. In: LAND.TECHNIK 2016, 22./23.11.2016, Köln, VDI-Berichte Nr. 2273, 309-316

[5] Sharipov G., Paraforos D.S., Griepentrog H.W. (2016): Modeling and optimization of a no-till direct seeding machine. In: 36. GIL-Jahrestagung - Intelligente Systeme - Stand der Technik und neue Möglichkeiten, 22.2.2016, Osnabrück, Gesellschaft für Informatik (GI), Bonn, 193-196

[6] Paraforos D.S., Griepentrog H.W. (2014): Surface Profiles Acquisition for Assessing Fatigues Life of Agricultural Machinery in Test Facilities. In: 18th International ISTVS Conference, 22.9.2014, Seoul, Korea

[7] Goldmann J. (2016): Kamera-Monitor-Systeme für Frontanbaugeräte - Einfach. Sicher. DLG-geprüft. DLG Test Landwirtschaft (März 2016) 13-15

[8] DLG-Prüfbericht 6300, Fa. AGCO Fendt, http://www.dlg-test.de/tests/6300.pdf DLG-Prüfbericht 6301, Fa. Krone GmbH, http://www.dlg-test.de/tests/6301.pdf DLG-Prüfbericht 6323, Fa. Dücker GmbH, http://www.dlg-test.de/tests/6323.pdf

[9] DLG-Prüfbericht 6291, Fa. ERC Additiv GmbH, http://www.dlg-test.de/additive/6291-DE.pdf

[10] Kortenbruck D., Griepentrog H.W. (2016): Automatisierte, teilzeitenspezifische Analyse von Maschinendaten am Beispiel der Bodenbearbeitung. In: 36. GIL-Jahrestagung - In-telligente Systeme - Stand der Technik und neue Möglichkeiten, 22.2.2016, Osnab-rück, Gesellschaft für Informatik (GI), Bonn, 93-96

[11] Kortenbruck D., Geiger J., Paraforos D.S., Griepentrog H.W., Holzhauer A. (2016): Ein-fluss der Flächenstruktur auf Einsatzprofile von Landmaschinen am Beispiel des Schwadens. In: LAND.TECHNIK AgEng 2016 - Das Forum für agrartechnische Innova-tionen, 22./23.11.2016, Köln, VDI-Berichte Nr. 2273, 463-468

[12] Paraforos D.S. (2016): Fatigue life assessment and accelerated durability testing of agricultural machinery using load measurements and surface profile mapping. For-schungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), Nr. 563, Dissertation, Hohenheim

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Bibliografische Angaben / Bibliographic Information

Empfohlene Zitierweise / Recommended Form of Citation

Griepentrog, Hans W.; Volz, Frank: Mess- und Prüftechnik - Qualitätssicherung. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2016. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2017. S. 1-10

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Schlagworte:

Betriebsfestigkeit, Bildanalyse, Einsatzprofile, Vorbau-Kamera-Monitor-Systeme

Empfohlene Zitierweise:

Griepentrog, Hans W.; Volz, Frank: Prüfwesen und Qualitätssicherung. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2016. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2017. – S. 1-10

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