Forschung Wir müssen den Mähdrescher neu definieren! Prof. Thomas Herlitzius, von der Technischen Universität Dresden, Lehrstuhl Agrarsystemtechnik zeigt die Grenzen bestehender Mähdrescherkonzepte. Aber was folgt danach? Studie mit Schwarm: Drei autonome Mähdrescher, eine Einheit, einfach per Tieflader zum nächsten Acker.
Der steigende Bedarf an Biomasseerzeugung zur Versorgung mit Nahrungsmitteln und zur energetischen Verwertung erfordert in Zukunft von mobilen Landmaschinen mehr Produktivität und Effizienz. Die installierte Leistung wächst, die Straßenverkehrsordnung begrenzt aber Bauräume und Achslasten. Das fordert neue Lösungen. Aspekte der Bodenschonung stehen im Gegensatz zum Trend zunehmender Einsatzgewichte beim Feldeinsatz, vergrößerte Korntanks und schwerere Erntevorsätze verschärfen das Problem. Bild 1 zeigt beispielhaft das Wachstum der produktivitätsbestimmenden Parameter an Mähdreschern. Wenn man das Verhältnis von Leergewicht zur installierter Motorleistung des Mähdreschers betrachtet, dann erhält man einen Leistungsindex, der bei heutigen Modellen bei Werten von 43 bis 46 kg/kw stagniert, während er am Anfang der Selbstfahrerepoche noch bei 50 kg/kw gelegen hat. In den 80er Jahren lagen die Werte sogar unter 40 kg/kw. Wie sind die zu erwartenden Leistungssteigerungen der nächsten 20 Jahre innerhalb der festgelegten Obergrenzen von Dimension und Eigengewicht nun zu realisieren? Die Tendenz der installierten Motorleistung bei Mähdreschern zeigt Bild 2. Für Maschinen mit der konventionellen Technologie mittels Schüttlerabscheidung ergibt sich ein Wachstum im Bereich von 5 kw/jahr, während axiale Rotormähdrescher auf Grund des höheren spezifischen Leistungsbedarfes des Separators in der Größenordnung von 8 kw/jahr wachsen. Weitere Gründe sind der stärkere Fahrantrieb für die schwereren Rotormaschinen und die im nicht konventionellen Segment stark vergrößerten Korntanks. Unter der Annahme, dass Maschinengewichte nicht mehr ansteigen dürfen, müsste der Leistungsindex auf Werte zwischen 35 und 40 kg/kw sinken ein Wert, der mittels herkömmlicher Technologien und Materialien nicht möglich scheint. Mähdrescherentwickler müssen sich der Frage stellen, wie Wirtschaftlichkeit und Effektivleistungen im gesamten Verfahren Getreideernte zu verbessern sind. Die Erhöhung des technischen Leistungspotenzials allein ist nicht automatisch der wirtschaftlichste Weg. Bestehende Maschinenkonzepte durch Vergrößerung der wirksamen Funktionsflächen und Arbeitsbreiten auf ein höheres Produktivitätsniveau zu heben das ist weitestgehend ausgereizt. Der Kostenanstieg des Mehraufwands, den man zur Steigerung der Leistungsdichte treiben muss, ist überproportional. Alle Teilschritte der Getreideernte sind auf ihre Effizienz zu überprüfen und ganze Maschinenkonzepte in Frage zu stellen. Neue Maschinenkonzepte müssen den Bauraum optimieren und die Energieeffizienz verbessern. Rückblick Wenn man etwas weiter zurückschaut und die Periode vor den selbstfahrenden Mähdrescher betrachtet, dann wird sichtbar, wie Konzeptwechsel in der Vergangenheit stattgefunden haben. Wie in Bild 3 zu sehen ist, zeigt die Geschichte eine gleichmäßige Entwicklung der Konzepte. Die Etappen in der Technologie der Getreideernte überlappen einander. Sie sind am meisten verbreitet etwa 50 Jahre bevor neue Konzepte in den Markt eintreten, um mit den gegenwärtigen Technologien zu konkurrieren. Die Schlussfolgerung: Das Konzept der selbstfahrenden Mähdrescher befindet sich gegenwärtig auf seinem Höchstpunkt. Neue Alternativen müssten jetzt sichtbar werden. Wenn man die Tendenzen aus Bild 1 und Bild 2 in den Zeitraum bis 2030 geradlinig fortschreibt, ergeben sich bei Steigerungsraten zwischen 32 % und 36 % technische Parameter wie sie Tabelle 1 zeigt. Die Probleme werden größer, die Lösungen werden teurer Diese Annahmen sind eher zurückhaltend getroffen. Die Flaggschiffe der großen Mähdrescherhersteller haben heute bereits die Durchschnittswerte von 2020 erreicht oder sind ihnen zumindest sehr nahe. Die Maß- und Gewichtsbeschränkungen für den Straßenverkehr sind bereits erreicht, beziehungsweise überschritten. Trotz Breitreifen mit großer Aufstandsfläche haben die hohen Achslasten bei vollem Korntank und mit breiten Vorsätzen in vielen Fällen negative Auswirkungen auf die Bodenverdichtung. Besonders bei feuchten Bedingungen steigt das Risiko einer verringerten Bodenfruchtbarkeit. Zukünftige Produktivität ist also innerhalb der gleichen Abmessungen zu erzielen. Aufwendige Funktionsentwicklung, Leichtbau und zusätzliche Achsen oder Gleisbandlaufwerke treiben die Entwicklungs- und Produktkosten nach oben. Jetzt sind alternative Druschkonzepte gefragt. (Bild 4).
Neue Technologien ermöglichen neue Konzepte Informations- und Automatisierungstechnik und elektrische Antriebstechnologie prägen die Entwicklung von landwirtschaftlichen Maschinen und Prozessen. Größere Maschinen und wachsende Motorleistung sind nicht mehr die einzigen Faktoren. der Produktivität. Satellitennavigation, Smart Farming, Telematik, Sensoren auf Basis der Bildverarbeitung oder elektrifizierte Antriebe sind nur einige Beispiele von Technologien, die den Zukunftstrend von teil- und vollautonomen Arbeitsmaschinen unterstützen. Der Zeitpunkt ist erreicht, den Mähdrescher neu zu definieren. Auch wenn es noch nicht wirtschaftlich ist, die heutigen Verfahrensabläufe zu verändern, ist diese Neudefinition nicht verfrüht: Solche grundlegenden Änderungen benötigen eine langfristige Planung der Entwicklung und Markteinführung, Zeiträume von zehn bis 20 Jahren. Man kann damit nicht erst beginnen, wenn die ersten Erfolg versprechenden Teillösungen am Markt erscheinen. Das ist für die Marketing- und Produktplanungsabteilungen der Hersteller von Mähdreschern eine nie da gewesene Herausforderung. Als Selbstfahrerkonzepte die Märkte eroberten, handelten die Firmen noch nicht global. Sie besaßen keine weltweite Fertigungsorganisation mit verknüpften Lieferantenketten. In der Technikgeschichte gibt es einige Beispiele von Firmen, die globale Markttrends ignorierten und heute bedeutungslos sind. Nur die Hälfte des technischen Potenzials ausgeschöpft Eine Weltbevölkerung von neun Milliarden Menschen im Jahr 2050 verlangt mehr Lebensmittel, die tierische Veredelung mehr Futtermittel. Das fordert mehr landwirtschaftliche Rohstoffe bei nur noch gering wachsender Nutzfläche. Gegenwärtig wird die Forderung nach Produktivität mit immer größer werdenden Landmaschinen beantwortet. Bei der Erntemaschine Mähdrescher ist dies besonders offensichtlich. Neben der technischen Leistung eines Mähdreschers bestimmt die Druscheignung des aktuell zu erntenden Bestandes und die Arbeitsorganisation dessen Effizienz. Derzeit schöpfen Mähdrescher nur noch weniger als 50 % ihres Leistungspotenzials aus. Aber wie ist die Effizienz der Mähdrescher selbst und innerhalb des Verfahrens zu erhöhen? Neue Sensoren erforderlich Die Einstellung der Dresch- und Abscheideorgane passt die Maschine an die Fruchtart und die jeweiligen Bedingungen an. Sie liegt ist in voller Verantwortung des Maschinenbedieners. Der Mähdrescherfahrer ist zunehmend von der Vielfalt der Einstellungsmöglichkeiten und den wirtschaftlichen Auswirkungen überfordert. Einige Hersteller bieten dazu Einstellassistenten, die den Fahrer mehr und mehr entlasten sollen. Die Regelkreise zur Maschineneinstellung sind bald geschlossen. Dann muss der Fahrer dem System nur die Parameter seiner Optimierungsstrategie nennen: Was hat Vorrang? Durchsatz, Verluste, Bruchkorn und Reinheit? Die installierte Logik der Maschine nimmt dann selbsttätig alle Maschineneinstellungen entsprechend des aktuellen Ernteprozesses in Echtzeit vor. Sensoren, die Qualität und Ergebnis des Abscheideprozesses messbar machen, sind dafür zu verbessern. Die bekannten Verlustsensoren erlauben keine ausreichend hohe Dynamik und Regelgüte automatischer Maschineneinstellung und Fahrgeschwindigkeitsanpassung. Sensoren für Strohfeuchte, Bruchkorn und Reinheit, sind bisher noch nicht erfolgreich im Markt eingeführt. Tandemfahrwerk als Lösung? Es gilt neue verbesserte Prozesssensorik einschließlich vorausschauender Sensorik zur Biomasseerkennung zu entwickeln. Abmessungen und Maschinengewichte sind die begrenzenden Faktoren für Feld und Straße. Mähdrescher besitzen nach wie vor zwei Achsen mit deutlichen Unterschieden in der Achslast. Reifen mit 120 kn Tragkraft begrenzen die Achslasten, und haben die Grenze der schädlichen Bodenverdichtung überschritten. Auch Gleisbänder erreichen bei weiterer geplanter Laststeigerung auf 240 kn Achslast ähnlich schädliche Drücke im Boden wie heutige Breitreifen. Zusätzliche Achsen werden hier eine kostengünstigere Alternative zum Gleisband bilden und die Lücke zwischen Gleisband und heutigen zweiachsigen Radfahrwerken schließen. Tandemfahrwerke am Mähdrescher verteilen die Last von Korntank und Vorsatzgewicht ähnlich gut wie Gleisbänder. Ihr Vorteil: Sie kosten weniger, der Verschleiß ist geringer.
Strohhäcksler überdenken Steigende Schneidwerksbreiten führen die konventionellen Häckselsysteme mit horizontalem Rotor und passiven Verteilelementen an die Leistungsgrenze. Verbleiben die Erntereste nach dem Drusch auf dem Feld, so spielt die Häcksel- und Verteilqualität für alle nachfolgenden Bearbeitungsgänge, darunter Bodenbearbeitung, Düngung und Pflanzenschutz eine wichtige Rolle. Heutige Systeme mit quer zur Fahrtrichtung horizontal ausgerichtetem Rotor und passiven Verteilorganen erreichen bei 9 m Arbeitsbreite ihre technisch-physikalischen Leistungsgrenzen. Nachgeordnete aktive Verteilorgane (Radialverteiler) können die Wurfweite steigern. Das erhöht den Leistungsbedarf und die Anschaffungskosten. Neue Häcksler und Verteilkonzepte werden entstehen. Sie sollten die Verteilung weniger aufwändig und energetisch günstiger für Schneidwerksbreiten jenseits der zehn Meter in allen Bedingungen lösen. Leichtbau: Kohlefaser oder Leichtmetall? Mittel- bzw. langfristig sind Lösungen zu erwarten, die das Leistungsgewicht (kg/kw) verringern, wenn das bestehende Maschinenkonzept beibehalten werden soll. Bei Leichtbaumaßnahmen ist neben dem Strukturleichtbau, die Werkstoffauswahl wichtig. Hierbei unterscheidet man vereinfacht zwischen metallischen Werkstoffen (hochfeste Stähle, Aluminium, Magnesium) und Faserverbundwerkstoffen. Aus heutiger Sicht sprechen die Kosten für das Material und den hohen manuellen Arbeitsaufwand gegen Faserverbundwerkstoffe. Lässt sich aber die Gewichtsproblematik nicht mit metallischen Leichtbauwerkstoffen lösen, dann sind Faserverbundwerkstoffe, nicht nur wie heute im Styling, sondern zukünftig auch in den Struktur- und Funktionsbaugruppen zu finden. Einsatz optimieren Telemetrie zur Ferndiagnose Die teilflächenspezifischen Bearbeitung und optimierte Maschineneinsatzplanung gewinnt an Bedeutung. Die Entwicklung technischer Lösungen berücksichtigt künftig pflanzenbauliche Zusammenhänge mehr und mehr, um dem Landwirt belastbare Entscheidungshilfen zu geben. Mit Hilfe der drahtlosen und selbstorganisierenden Kommunikation zwischen Erntemaschinen, Transportfahrzeugen und dem Hofrechner oder Internet Servern sind in Zukunft viel mehr betriebsrelevante Daten zur Dokumentation und operativen Einsatzleitung verfügbar. Einen Anfang stellen die verfügbaren Telematiksysteme dar. NIR - Sensorik auf den Mähdreschern bestimmen die Inhaltsstoffe Die gezielte Bestandsführung während der gesamten Vegetationsphase vergleichmäßigt Ertrag und Reifegrad das erhöht die Leistung. Systeme zur Ferndiagnose und zur Wartungsvorhersage und Maschinenüberwachung werden sich amortisieren. Welche Konzepte den Getreideanbau in 20 Jahren bestimmen werden, ist heute noch nicht mit Bestimmtheit zu sagen. Es ist berechtigt, bekannte Ideen wieder auszugraben und neu auf ihre Machbarkeit zu überprüfen. Die zusätzliche Ernte von Nichtkornbestandteilen zur energetischen und stofflichen Verwertung und zur chemiefreien Unkrautbekämpfung gewinnt an Bedeutung und verändert den Mähdrescher zumindest in Teilen. Die Möglichkeiten von Precision Farming zur verbesserten Bestandsführung bringen den Hochschnitt wieder in das Gespräch. Ohne großen Aufwand ist ein erheblicher Leistungssprung bei Senkung des Energieeinsatzes möglich. Aber reicht das alles aus, um den Anforderungen der Zukunft zu genügen? Wie lange spielt der selbstfahrende Mähdrescher in seiner heutigen Form noch die Hauptrolle? Lösen ihn autonom arbeitende Schwärme kleinerer Maschinen, Master-Slave Konfigurationen ab? Oder erlebt die Trennung von Ernten und Kornabscheidung in verschiedenen Maschinen ihre Blütezeit?
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