Article in yearbook 2023

Grain Harvesting Combine Harvester

Abstract:

The market for combine harvesters has developed slightly positively. Manufacturers are presenting improvements to existing models the range is being extended downwards and with the presentation of the new combine harvester from New Holland, upwards. Advanced solutions for driver relief and automation are presented. The use of DEM simulation in research and development is increasing.

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Long version

Markt

In 2023 hat sich der Absatz von Mähdreschern leicht erhöht. In Deutschland wurden 1485, in West-Europa 5589 und Nord-Amerika 9448 Maschinen verkauft, Bild 1 [1; 2]. Als eine Mähdrescher-Chronik wurde in der Zeitschrift profi ein historischer Überblick über die Mähdrescher-Entwicklung von 1886 bis heute inklusive einiger Besonderheiten gegeben [3].

Bild 1: Entwicklung wichtiger Mähdrescher-Märkte [1; 2].

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

 

An einigen Modellen der Anbieter sind Verbesserungen im Detail vorgenommen worden. So erhielt der Deutz-Fahr 6305 (bisherige Modellbezeichnung: 6205) u.a. die Kabine mit Bedienelementen der größeren Modelle und ein neues Display, über das auch die elektrische Korbverstellung erfolgt. Das Modell ist weiterhin ohne oder mit Turbo-Separator lieferbar [4; 5]. Verbesserungen zum Betrieb und zur Überwachung hat Case IH bei den Modellen der Serie 150 eingeführt. Ein Display in der rechten Konsole übernimmt die bisher in der A-Säule angezeigten Informationen und dient zur Eingabe für Maschineneinstellungen. Ein verbesserter GNSS-Empfänger ermöglicht schnellere und exaktere Positionsbestimmungen und ermöglicht eine präzisere automatische Lenkung [6].

Claas rundet sein Produktprogramm mit dem Evion nach unten hin ab. Der in Gaomi, China produziert Mähdrescher ersetzt die Modelle Tucano und Avero und nutzt viele Komponenten der größeren Baureihen Trion und Lexion. Die Maschine hat ein 1-Trommel-Dreschwerk mit 60 cm Durchmesser, 5 Schüttler und eine Kanalbreite von 1,42 m. Sie ist in vielen Konfigurationen von einer einfachen bis zu einer hoch ausgestatteten, aber kompakten Maschine mit 150 - 190 kW (205 - 258 PS) Motornennleistung verfügbar [7 - 9].

Auf der Agritechnica 2023 wurden weitere Verbesserungen und Neuheiten präsentiert. Ein ausführlicher Überblick über die Agritechnica-Präsentationen der Hersteller und deren Neuheiten wird von Rademacher gegeben [10]. Die Kurzvorstellung aller Medaillen der Agritechnica erfolgte in vielen Zeitschriften, u.a. in [11]. Die einzige Goldmedaille wurde für den neuen Großmähdrescher von New Holland vergeben. Ohne seitliche Antriebe ermöglicht diese Maschine eine Verbreiterung des Kanals um 13 % und bietet damit mehr Platz für die Drusch- und Abscheidetechnik. Weitere Details werden in den folgenden Kapiteln beschrieben. Case IH erhielt eine Silbermedaille für ihr Forward Looking Feedrate Radar, das ebenfalls im Folgenden genauer beschrieben wird [11; 12].

Die Bandbreite des Marktangebotes in Deutschland wird anhand der Entwicklung der Motornennleistungen jeder einzelnen Maschine deutlich, Bild 2.

Bild 2: Entwicklung der Motorleistung der in Deutschland angebotenen Mähdrescher
[Herstellerangaben].

Figure 2: Development of the engine power of combine harvesters offered in Germany
[manufacturer information].

Antriebskonzepte

Alternative Antriebskonzepte werden auch für die Getreideernte diskutiert. Wohlfahrt et al. beschreiben ausführlich den heutigen Kraftstoffbedarf bei unterschiedlichen Größenklassen der landwirtschaftlichen Betriebe. Sie leiten daraus ab, dass wegen den Dimensionen der derzeitigen Batterietechnologie diese nicht für Mähdrescher geeignet ist. Gasbasierte Konzepte sind für Mittelklasse-Maschinen mit ca. 200 kW eine praktikable Lösung. Allerdings sind Betankungslösungen während des Arbeitstages nötig, die erheblichen zusätzlichen Aufwand bedeuten. Für größere Maschinen sind flüssige künstliche Kraftstoffe die Lösung, mit denen auch im Markt befindliche Mähdrescher sofort dekarbonisiert betrieben werden können [13].

In einer Studie wird ein serieller Hybridantrieb für einen Mähdrescher vorgeschlagen und untersucht. Die Entkoppelung der Antriebe der Arbeitselemente und des Fahrantriebs von dem Verbrennungsmotor ermöglicht weitergehende Steuer- und Regelungskonzepte, wie sie schon vor vielen Jahren auch von der TU Dresden und der Uni Hohenheim untersucht wurden. In der vorliegenden Studie wurden die einzelnen Arbeitskomponenten des Mähdreschers modelliert und die Parameter des Hybridantriebes entsprechend der Betriebsanforderungen angepasst. Simuliert wurde das dynamische Arbeitsverhalten, die Druschleistung und der Kraftstoffverbrauch. Nun soll ein Prototyp entwickelt werden, um die ermittelten Vorteile zu validieren [14].

Schneidwerke

Für große Schneidwerke werden immer häufiger Querförderbänder anstatt Querförderschnecken angeboten. Um bei großen Arbeitsbreiten auch der Bodenkontur quer zur Fahrtrichtung folgen zu können, werden große Schneidwerke in zwei oder drei Sektionen unterteilt. Diese können in einem begrenzten Winkel zueinander geneigt werden. Alternativ können Schneidwerke mit einem flexiblen Messerbalken für die Ernte bodennaher Früchte ausgestattet sein. Für diese Schneidwerke bietet Schumacher mit Arista einen speziellen Ährenheber an. Er kann werkzeuglos montiert werden und besitzt eine zweistufige Höhenverstellung [15]. Geringhoff bietet mit dem AFT Maispflückervorsatz die Möglichkeit, über das mittige Drehgelenkt die beiden Seiten des Vorsatzes um jeweils ± 8° neigen zu können. Die 12- und 16-reihige Ausführungen sind für den Straßentransport optional klappbar [16].

Der kanadischer Hersteller K-Hart hat einen neuen Stripper-Vorsatz vorgestellt. Er orientiert sich sehr stark an der Lösung von Shelbourne Reynolds aus UK, sei aber in vielen Details angepasst und verbessert. Der große, zusätzliche Vorteil für Nord-Amerika ist, dass die längeren Stoppel mehr Schnee gegen den Wind festhalten und somit mehr Wasser im Frühjahr verfügbar ist. Der Stripper ist mit 12,5 m Arbeitsbreite verfügbar, in Planung seien 9,4 m und 13,7 m [17].

Reinigung

Eine umfassende Beschreibung des Aufbaus und der Funktion heutiger Reinigungsanlagen in Mähdreschern wurde erstellt. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Gebläse und die Luftführung sowie auf die elektronischen Systeme zur Messung der Körnerverluste, der Reinheit, der Gutqualität, des Durchsatzes und der Siebbeladung gelegt. Die Autoren empfehlen für Weiterentwicklungen die Luftgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung zu beachten, sowie die Verteilung längs und quer zur Siebfläche unter den unterschiedlichsten Einsatzbedingungen sicherstellen [18].

Zum Hangausgleich bei Reinigungsanlagen bieten fast alle Hersteller Lösungen an. John Deere präsentierte im Rahmen der VDI-Tagung auf der Agritechnica eine neue Lösung: Am Ende des Vorbereitungsbodens ist ein luftdurchlässiges Querförderband installiert. Je nach Querneigung der Maschine fördert es mehr oder weniger schnell das Reinigungsgut hangaufwärts, Bild 3 [19].

Bild 3: John Deere-Reinigungsanlage mit Querförderband. 1: Querförderband; 2: Förderschnecken; 3: Rücklaufboden; 4: Querförderband; 5: Umlenkrollen; 6: Querführungsschienen [19].

Figure 3: John Deere cleaning unit with lateral conveyor. 1: lateral conveyor; 2: conveying augers; 3: return pan; 4: lateral conveyor; 5: idler rolls; 6: cross guide runners [19].

 

Die Reinigungsanlage im neuen Großmähdrescher CR11 von New Holland besitzt zwei hintereinander angeordnete Ober- und Untersiebe, Bild 4. Der Übergang vom Vorbereitungsboden und vom ersten auf das zweite Sieb ist als luftdurchströmte Fallstufe ausgeführt. Je eine Querförderschnecke für das erste und das zweite Siebpaar befüllen den Elevator. Der Seitenhangausgleich erfolgt nicht über eine Nivellierung des Siebkastens und ermöglicht so die volle Nutzung der Kanalbreite. Über die Messung der Druckdifferenz links und rechts sowie vorne und hinten am Siebkasten kann auf die Siebbeladung und ihre Querverteilung geschlossen werden. Die konventionelle Messung der Verlustkörner erfolgt am Siebende links und rechts getrennt. Aus diesen Signalen wird auf eine ungleichmäßige Querverteilung geschlossen. Entsprechend werden zusätzlichen Querschwingungen in den Vorbereitungsboden und, getrennt davon, in die Obersiebe eingeleitet [20].

Bild 4: New Holland CR11 Reinigungsanlage.

Figure 4: New Holland CR11 cleaning unit.

Strohmanagement

Rademacher gibt einen umfassenden Überblick über die Entwicklungstendenzen und über die Häcksel- und Verteilsysteme im Markt. Schwerpunkt ist der Leistungsbedarf der Häcksler und eine gleichmäßige Querverteilung über die gesamte Arbeitsbreite der immer größer werdenden Vorsätze. Auch auf die Hammermühlen zur Zerstörung von Unkrautsamen, die noch im Siebübergang enthalten sein können, wird eingegangen [21].

Nachdem in den letzten Jahren verstärkt Sensoren zur Erfassung der aktuellen Querverteilung entwickelt worden sind, stellt New Holland für ihren Großmähdrescher CR11 ein Häcksellängenmanagement vor. Eine Kamera im Ausgang des Häckslers erfasst die aktuelle Häckselqualität. Durch die Verstellung der Gegenmesser wird erreicht, dass die vom Fahrer bestätigte Qualität eingehalten wird [22]. Case IH stellte ein Überwachungssystem für die Lager des Strohhäckslers vor. Anhand der Frequenzanalyse der Schwingungen an einem Lager kann auf die Art eines Schadens bzw. sich anbahnenden Schadens geschlossen werden. Über WiFi werden die Auswertungen auf ein Smartphone übertragen [23].

Guteigenschaften

Mit Mikrowellensensoren können die dielektrischen Eigenschaften von Gütern ermittelt werden. Besonders die Gutfeuchte beeinflusst diese Eigenschaften. Deshalb werden Mikrowellensensoren für die Feuchtemessung von Körnern eingesetzt. Es konnte bei Messungen mit einer Frequenz gezeigt werden, dass für Weizen und für Mais nur eine von der Gutart und keine von der Sorte abhängige Kalibration nötig ist [24].

Es wurde eine Untersuchung zur nötigen Kraft für das Pflücken von Maiskolben durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass wenn der Maiskolben um mehr als 55° vom Stängel weggedreht wird, sich dann die Bruchkraft um 80 % reduziert. Dieses Ergebnis sollte bei der Entwicklung und Auslegung von Maispflückern berücksichtigt werden [25].

Die Schwebegeschwindigkeit ist ein anschauliches Maß für die pneumatische Trennbarkeit eines Gutgemisches und für die Homogenität bzw. Inhomogenität einer Gutart. Die Untersuchung der Schwebegeschwindigkeit von Weizen-Strohknoten und von Internodien zeigt, dass diese sich pneumatisch voneinander trennen lassen, wenn die Internodien ähnliche Längen haben wie die Knoten [26]. Über die Schwebegeschwindigkeit lassen sich trockene (11 % w.b.) Stängelteile von Mais (Partikel des Marks, der Rinde, des Knotens und des Internodiums) voneinander trennen, aber einige feuchte Fraktionen (43 % w.b.) haben vergleichbare Schwebegeschwindigkeiten und lassen sich nicht auf diese Art voneinander trennen [27].

Für die Simulation mit der Diskreten Element Methode DEM müssen auch die Reibbeiwerte der modellierten Partikel bekannt sein. Der Reibbeiwert von biologischen Materialien ist auch von der Größe der Kontaktfläche abhängig. Mit einer Universalprüfmaschine wurde ein neuer Prüfstand zur Ermittlung der Reibbeiwerte zwischen Weizenkorn, Stroh und Metall aufgebaut. Dieser Prüfstand arbeitet auch bei sehr geringen Flächenpressungen exakt. Die Kontaktfläche wird über eine photometrische Auswertung erfasst. Dazu ist die Unterlage eingefärbt und die übertragene Farbe auf das obere Gut wird abfotografiert. Die Reibbeiwerte bei unterschiedlichen Flächenpressungen, Gutfeuchten und Materialpaarungen wurden erfasst. Sie nehmen mit dem Druck ab und steigen mit der Feuchte an [28].

Elektronik, Regel- u. Informationssysteme

Ein Ziel beim Einsatz eines Mähdreschers ist die kontinuierlich hohe Maschinenauslastung. Schwankungen im Ertrag und bei den Guteigenschaften führen zu sich ständig ändernden Arbeitsbedingungen. Case IH erhielt für seine vorgestellte Neuheit der vorausschauenden Durchsatzregelung eine Silbermedaille. Am Schneidwerk sind Radarsensoren angebracht, die vor dem Messerbalken von oben in den Bestand ausgerichtet sind. Sie erfassen die Bestandsdichte und können auch die Bodenkontur erkennen. In Abhängigkeit der Bestandsdichte wird die Fahrgeschwindigkeit angepasst und eine gleichbleibende Auslastung der Maschine erreicht. Die erfasste Bodenkontur unterstützt die Tastkufen am Schneidwerk für dessen Höhenführung [29].

Mit Hilfe hochgenauer GNSS-Daten lassen sich automatisch Arbeitszeitanalysen beim Einsatz des Mähdreschers erstellen. Zur Bestimmung der Effizienz des Maschineneinsatzes (nicht vollständige Ausnutzung der Arbeitsbreite und Zeitverluste durch Überlappungen, Wendemanöver etc.) wurden Algorithmen entwickelt, um aus den Fahrspurdaten diese Größe zu ermitteln. Es werden Analysen vorgestellt, die den Einfluss von Fahrmustern, Arbeitsbreiten und Art der Wendemanöver auf die Effizienz aufzeigen [30].

Vergleichbar zur der oben beschriebenen Lagerüberwachung wird über eine Frequenzanalyse der Vibrationen einer Drescheinrichtung auch ein Condition Monitoring ermöglicht [31]. Für oszillierende Maschinenkomponenten ist auch eine automatische Zustandsüberwachung möglich. So wird ein System vorgestellt, mit dem Schäden wie ein Messerverlust an einem Schneidwerk erkannt werden können [32].

Für einen Mähdrescher mit Axialrotor wurde eine Regelung zur Einstellung von Rotordrehzahl, Dreschspalt und Leitblechwinkel in Abhängigkeit von dem Antriebsdrehmoment des Rotors erstellt. Die Einstellparameter wurden mit verschiedenen Statistik- und KI-Methoden anhand von Laborversuchen ermittelt. Dadurch konnte der Körnerbruch etwas und der Leistungsbedarf deutlich um 36 % reduziert werden [33].

Eine 3D-Kamera schaut auf den Getreidebestand vor einem Mähdrescher. Es wird ein Algorithmus vorgestellt und erprobt, mit dem aus den Daten Lagerflächen und Lagerrichtung während der Ernte ermitteln werden können. Darauf aufbauend kann eine adaptive Regelung eines fahrerlosen Mähdreschers für eine verlustarme Ernte erfolgen [34].

Modellierung und Simulation

In einem Review werden die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Simulation der Gutbewegung und Gutbearbeitung in Mähdreschern beschrieben. Insbesondere die DEM Simulation ist geeignet zur Modellierung des Gutflusses in Elevatoren und Schnecken. Es wird ausdrücklich auf die Bedeutung der Validierung mit Hilfe von realen Versuchen hingewiesen. Mit Hilfe von Simulationen können die Anzahl der Tests von Prototypen reduziert und die Auslegung der Komponenten schneller optimiert werden [35].

Bei der DEM-Modellierung müssen viele Parameter berücksichtigt werden, ohne die Rechenzeiten zu stark zu verlängern. So wird beispielsweise diskutiert, ob Weizenkörner als ein Ellipsoid oder als Zusammensetzung mehrerer Kugeln modelliert werden sollen. Es wird verglichen, mit welchen Vereinfachungen eine noch gute Vergleichbarkeit mit realen Haufwerken erreicht wird [36]. In einer weiteren Arbeit wird ein detailliertes Modell für die Kontaktdynamik eines Stiftendreschwerks mit Körnern erstellt. Hierbei wird die Theorie der starr-elastischen Koppelung verwendet [37]. In einer anderen Arbeit wird eine Modifikation eines Stiftendreschwerks simuliert. Anstatt eines festen Zahns wird ein bewegliches Element, dem menschlichen Daumen nachgebildet, verwendet. Durch die Gelenke passt sich der Angriffspunkt der Kraftwirkung dem jeweiligen Maiskolben und dem Stand des Ausdrusches an. Dadurch sei eine schonendere und weiterhin effektive Arbeit des Dreschwerks möglich. Die Validierung dieser Modifikation steht noch aus [38].

Für eine Stripper-Vorsatz zur Reisernte wird die Luftströmung im Vorsatz simuliert und validiert. Für die Reduktion der Vorsatzverluste wurden verschiedene Abstreifkämme und Drehzahlen untersucht [39]. Ein weiterentwickelter Stripper für die Ernte von Reis wird mit einer zusätzlichen Luftströmung durch die Zähne des Stripperrotors vorgeschlagen. Der Strippingprozess wird detailliert in CFD und DEM modelliert und gekoppelt simuliert. Aus der Simulation erfolgt ein Vorschlag für die optimale Einstellung [40].

Zusammenfassung

Die Mähdreschermärkte haben sich 2023 leicht positiv entwickelt. Neuvorstellungen runden das Produktprogramm nach unten und durch den neuen New Holland CR11 nach oben ab. Der New Holland Mähdrescher hat seitlich fast keine Antriebe und kann deshalb die Kanalbreite und damit die Kapazität der Maschine vergrößern. Zudem ist die Maschine mit weiteren Neuheiten ausgestattet. Die Entwicklung von weiteren elektronischen System zur Vereinfachung der Bedienung und zur Automatisierung geht weiter voran. In der Forschung und Entwicklung wird sehr häufig die DEM und die CFD Modellierung und Simulation eingesetzt.

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Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. Stefan Böttinger ist Leiter des Fachgebiets Grundlagen der Agrartechnik am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim in Stuttgart.

Keywords:
combine harvester, market development, automation, simulation, straw management
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Recommended form of citation:
Böttinger, Stefan: Combine Harvester. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2023. Braunschweig: TU Braunschweig / Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2024. – pp. 1-12

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