Magazin Bodenbearbeitung

Forschung :

Bodenbearbeitungswerkzeuge total angepasst

Mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft knobeln Wissenschaftler der TU Dresden an Bodenbearbeitungswerkzeugen, die ihre Geometrie entsprechend der Arbeitsziele verändern.

Forschung: Bodenbearbeitungswerkzeuge total angepasst

Über zwei Jahre wurden mittels der Bodenrinnenanlage der TU Dresden die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Konstruktionsparametern der Bodenwerkzeuge und Faktoren wie Bodenfeuchte, Geschwindigkeit oder Arbeitstiefe systematisch untersucht und digital katalogisiert.

Nobody is perfect. Dieser Spruch gilt auch für die Körperkurven von Bodenbearbeitungswerkzeugen. Zwar gibt es für die Palette der Arbeitsaufgaben vom Tiefenlockern bis zur Saatbettbereitung verschiedene Ausführungen. Aber im Endeffekt ist die Geometrie der Zinken, Scheiben oder Schare immer ein Kompromiss. Schließlich müssen die Werkzeuge mit den unterschiedlichsten Bodenarten und Witterungsbedingungen zurecht kommen. Kompromisse bedeuten aber immer auch Zugeständnisse. In Kauf genommen werden dabei zum Beispiel ein höherer Zugkraftbedarf mit den entsprechenden Auswirkungen auf den Spritverbrauch oder Abstriche bei der Funktionssicherheit der Arbeitsgeräte zum Beispiel durch das Auftreten von Verstopfungen.

Perfektion nur bei idealen Parametern

Auch der Verschleiß ist letztlich ein Symptom dafür, dass die Beschaffenheit der Werkzeuge dem angedachten Einsatzzweck nur eingeschränkt genügt. Abstriche zugunsten eines möglichst breiten Einsatzspektrums betreffen aber auch die Arbeitsergebnisse selbst. Perfektion wird nur versprochen, wenn die Parameter stimmen. „In Anleitungen und Berichten liest man heute oft, dass eine Mindestgeschwindigkeit, meist 10 km/h, erforderlich ist, um mit dem Gerät das angestrebte Arbeitsbild zu erzielen. Dies wird akzeptiert, obwohl es doch früher mit praktisch den gleichen Scharformen auch bei niedrigeren Arbeitsgeschwindigkeiten ging“, gibt Tim Bögel zu bedenken. Er ist Wissenschaftler an der Professur für Agrarsystemtechnik des Instituts für Naturstofftechnik der Technischen Universität Dresden.

In den vergangenen 50 Jahren hat sich dort bei Untersuchungen mit Bodenbearbeitungsgeräten und -werkzeugen ein Wissensschatz angesammelt. Dazu gehören etwa Ergebnisse von Versuchen mit 45 cm breiten Flügelscharen. Die wissenschaftliche Fragestellung bezog sich bei diesen Messfahrten darauf, wie das Zusammenspiel von Zugkraft und Geschwindigkeit die Furchenbreite beeinflusst. „Es zeigte sich unter anderem, dass die Arbeitsgeschwindigkeit keine signifikanten Auswirkungen auf die Furchenbreite hat, wohl aber maßgeblich den Zugkraftbedarf beeinflusst“, berichtet der Diplomingenieur. Das „Schmökern“ im Studienfundus des Lehrstuhls ist für Bögel jedoch nicht Selbstzweck, sondern Teil eines Forschungsprojektes zur Entwicklung sogenannter adaptiver, also in ihrer Form anpassungsfähiger Bodenwerkzeuge.

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Die Bodenbearbeitung revolutionieren

Nach Meinung der Forscher an der TU Dresden könnten selbstregulierende Werkzeuge die Bodenbearbeitung revolutionieren. Im Mittelpunkt des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens stehen zunächst Grubberschare, die in der Lage sind, durch aktive Veränderungen ihrer Geometrie auch bei wechselnder Bodenbeschaffenheit oder Fahrgeschwindigkeit ein gleichbleibend optimales Arbeitsbild zu gewährleisten. „Mit dem Abschluss der Grundlagenuntersuchungen haben wir dabei jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht“, freut sich der Landtechnikexperte. Gegenstand der aufwändigen über zwei Jahre andauernden Untersuchungen waren die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Konstruktionsparametern der Werkzeuge und Faktoren wie Bodenfeuchte, Geschwindigkeit oder Arbeitstiefe. Dabei knüpfte das Dresdner Wissenschaftlerteam an Messmethoden früherer Versuche an. Eines war jedoch neu: Um eine Systematisierung und Wiederholbarkeit zu ermöglichen, abstrahierten sie die am Markt erhältlichen Schare auf vier grundsätzliche Werkzeugkategorien. Die unterschiedlichen Schmal- bzw. Doppelherzscharformen reduzierten sich auf eine 5 bis 10 cm breite geneigte Platte und die Flügelschare auf einen schneepflugartig ausgebildeten Pfeil. Von beiden Grundmustern gab es noch eine Variante mit kleineren Abmaßen für das Arbeiten mit Unterschnitt. Das Werkzeug läuft in diesem Anwendungsfall komplett unterhalb des Bodenaufwurfs, um zum Beispiel eine Bearbeitungssohle aufzubrechen.

Abstrahierte Darstellung des Arbeitsbildes von Grubberschmal- bzw. Doppelherzscharen und der bei der Grundlagenuntersuchung zur Entwicklung von adaptiven Bodenwerkzeugen erfassten Parameter.

Abstrahierte Darstellung des Arbeitsbildes von Grubberschmal- bzw. Doppelherzscharen und der bei der Grundlagenuntersuchung zur Entwicklung von adaptiven Bodenwerkzeugen erfassten Parameter.

Katalog mit 324 definierten Arbeitsbildern

Das Arbeitsbild jeder dieser vier abstrahierten Werkzeugtypen wurde in neun Konstruktions- bzw. Anbauvarianten bei jeweils drei Geschwindigkeiten und drei Bodenfeuchten mit einem Laser erfasst und vermessen. Da ging es zum Beispiel darum, wie der Einstellwinkel der Werkzeugkategorie „Platte“ in Korrelation mit der Arbeitsgeschwindigkeit den Zugkraftbedarf beeinflusst und wie das Ergebnis bei dieser Konstellation in punkto Aufwurf, Krümelung und Bodenaufbruch ist. Daraus entstand ein Katalog mit 324 definierten Arbeitsbildern mit den dazu gehörigen Voraussetzungen an die Werkzeuggrundform und deren Konstruktionsvariante sowie die Arbeitsgeschwindigkeit und Bodenfeuchte. „Das klingt nach Sisyphusarbeit und das war es auch, eben Grundlagenforschung“, meint Bögel.

Die Messfahrten erfolgten zunächst in der Bodenrinnenanlage des Bereichs Agrarsystemtechnik der TU Dresden. Da sie sich in einem Gebäude befindet, können dort ganzjährig Tests unter identischen Bedingungen durchgeführt werden. Die Bodenrinne im Hallenboden ist gut 28 m lang, 2,5 m breit und 1 m tief. Der sandige Lehmboden darin, lässt sich exakt auf eine vorgegebene Feuchte und Verdichtung einstellen. Ein darüber geführter Gerätewagen mit Dreipunktaufhängung kann wie ein Traktor Werkzeuge aufnehmen und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 17 km/h durch die Ackererde ziehen. Dabei messen Sensoren die unterschiedlich wirkenden Kräfte und Drehmomente. Außerdem wird der Werkzeugeinsatz im Boden mit einer Highspeed-Kamera gefilmt und Laser tasten das entstehende Bodenrelief ab.

In den Sommermonaten erfolgte eine Validierung der Versuche auf dem Feld. „Die Bodenfurche konnten wir anfangs nur mit einem tragbaren Lasergerät vermessen. Künftig ist dies mit Messköpfen am Traktor und am Dreipunktgerät vor und nach dem Werkzeugeinsatz während der Überfahrt möglich“, sagt der 30-Jährige.

Die durch die Laserabtastung digital erfassten Arbeitsbilder und deren Zuordnung zu definierten Werkzeugvarianten und Arbeitsbedingungen liefern den Wissenschaftlern einen äußerst wertvollen Datenpool. Er bildet zum einen die Grundlage für mathematische Modelle zur Steuerung der Werkzeugparameter.

Wertvolle Daten für die Prozesssteuerung

Zum anderen lassen sich daraus Algorithmen für eine automatische Prozessoptimierung entwickeln. Bögel erläutert dies am Beispiel der Durchmischung des Bodens. „Wir wissen jetzt und können dies auch mit einer Formel darstellen: Je höher die Geschwindigkeit und je größer der Anstellwinkel, desto weiter und flacher wirft das Schmal- oder Doppelherzschar, in unserem Fall also das Werkzeugmodell ‚Platte‘, den Boden. Damit ist der Mischeffekt im Prinzip steuerbar. Angenommen, es ist eine Wurfweite von 50 cm erwünscht, weil das zum Strichabstand passt, dann müsste sich der Anstellwinkel des Werkzeugs der aktuellen Arbeitsgeschwindigkeit anpassen, um ein durchgängig gleiches Arbeitsergebnis zu erzielen“. Die Sache habe jedoch noch eine weitere Dimension. Denn ein steilerer Werkzeugwinkel erhöht den Zugkraftbedarf und damit den Spritverbrauch. Ein Steuerungsalgorithmus müsste dies berücksichtigen und für die Prozessoptimierung Arbeitsgeschwindigkeit und Anstellwinkel entsprechend aufeinander abstimmen.

Neben den Algorithmen sind online fähige Sensoren, die das Arbeitsergebnis überprüfen, sowie robuste Stelleinrichtungen (Aktoren) Voraussetzung für die Entwicklung adaptiver Werkzeuge. Diese sind nach Aussage des Wissenschaftlers Inhalte von Folgeprojekten, die in diesem Jahr starteten, zum Teil finanziert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, zum Teil in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner. Die Überlegungen bei den Aktoren reichten von elektrischen Stellmotoren über pneumatische oder hydraulische Mechanismen bis hin zu neuen, intelligenten Materialien, etwa Elastomere, die ihre Form unter dem Einfluss von magnetischen Feldern verändern. Das Projektteam des Bereiches Agrarsystemtechnik präferiert bei den Aktoren für die adaptive Werkzeuggeometrie eine Hybridlösung aus mechanischen Antrieben und elektrisch steuerbaren Elastomeren, an denen Wissenschaftler in einem anderen Forschungsbereich der TU Dresden tüfteln, und bei den Sensoren eine Laserabtastung vor und nach dem Werkzeugeinsatz.

„Ich denke, in anderthalb bis zwei Jahren werden die ersten Prototypen von Bodenbearbeitungsgeräten mit adaptiven Werkzeugen zu sehen sein“, prognostiziert Bögel.


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