Energiebedarf und Werkzeugeinsatz bei der Bodenbearbeitung
Energiebedarf und Werkzeugeinsatz bei der Bodenbearbeitung
Energiebedarf und Werkzeugeinsatz bei der Bodenbearbeitung
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Fakultät Maschinenwesen Institut für Verar<strong>bei</strong>tungsmaschinen <strong>und</strong> Mobile Ar<strong>bei</strong>tsmaschinen<br />
Professur für Agrarsystemtechnik<br />
<strong>Energiebedarf</strong> <strong>und</strong> <strong>Werkzeugeinsatz</strong> <strong>bei</strong> <strong>der</strong><br />
Bodenbear<strong>bei</strong>tung<br />
A. Grosa<br />
grosa@ast.mw.tu-dresden<br />
Groitzsch, 22.02.2013<br />
Pflanzenbautag <strong>der</strong> LfULG
Glie<strong>der</strong>ung<br />
1 Grubberwerkzeuge für die Bodenbear<strong>bei</strong>tung<br />
Werkzeuggeometrie <strong>und</strong> Funktion<br />
Werkzeuganordnung im Gerät<br />
2 Wirkung <strong>der</strong> Werkzeuge im Boden<br />
Ar<strong>bei</strong>tsweise <strong>der</strong> verschiedenen Scharformen<br />
Ar<strong>bei</strong>tsbild <strong>und</strong> Bear<strong>bei</strong>tungssohle<br />
Zielkonflikt: Flache Ar<strong>bei</strong>t sichere Tiefenführung<br />
3 Zugkraftbedarf <strong>bei</strong> <strong>der</strong> Bodenbear<strong>bei</strong>tung<br />
theoretische Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Praxis heute<br />
Geräteentwicklung in <strong>der</strong> Praxis<br />
Möglichkeiten zur Zugkraftsenkung<br />
4 Werkzeugverschleiß/ aktuelle Entwicklungen<br />
Zusammenfassung/ Ausblick<br />
No. 2 / 28<br />
2
Grubber als Universalgerät<br />
• Einsetzbar auf nahezu allen Bodenarten<br />
• Verschiedene Ar<strong>bei</strong>tsweisen durch breite Werkzeugauswahl<br />
• Hohe Flächenleistungen im Vergleich zur wendenden Bear<strong>bei</strong>tung<br />
• Weiter Ar<strong>bei</strong>tstiefenbereich, vielseitige Verfahrenskombination<br />
• Kostengünstig<br />
• Wenig verschleißanfällig<br />
Sind Einsatzgrenzen in nassen Böden (>23 M%) o<strong>der</strong> <strong>bei</strong>m<br />
Durchfahren von Strohhaufen wirklich ein Nachteil?<br />
No. 3 / 28<br />
3
Schartypen <strong>und</strong> -geometrie<br />
Schmal-, Herzschare<br />
Schnittwinkel (γ): 20-45°<br />
Keilwinkel (β):15-40°<br />
Freiwinkel (α):5-10°<br />
Gänsefußschare<br />
Schnittwinkel (γ):15-25°<br />
Keilwinkel (β):12-15°<br />
Freiwinkel (α): 0-5°<br />
Spreizwinkel<br />
hat vorrangig<br />
Wirkung auf:<br />
Mischwirkung,<br />
Ar<strong>bei</strong>tsintensität <strong>und</strong><br />
Leistungsbedarf<br />
Einzugsverhalten<br />
Schnittverhalten<br />
No. 4 / 28<br />
4
Werkzeuganordnung im Grubber<br />
Bodenfestigkeit<br />
Zugkraftbedarf, Verschleiß<br />
Parameter:<br />
Strichabstand 18 …. 44 cm<br />
Rahmenhöhen 65 .. 80 cm<br />
Balkenabstand 60 … 80 cm<br />
Fehlanordnung von Werkzeugen führt zu Schrägzug am Traktor!<br />
Beispiel: fast fluchtende Scheiben in Kurzscheibenegge (AB: 6m) → Spurfehler Traktor-Gerät ≈ 0,6 m<br />
No. 5 / 28<br />
5
Ar<strong>bei</strong>tsweise des Doppelherzschares<br />
Parameter:<br />
Scharbreite 8 …. 26 cm<br />
opt. Strichabstand 20 … 26 cm<br />
opt. Ar<strong>bei</strong>tstiefe > 10 cm<br />
Quelle: LfULG 2011, Untersuchungen zur<br />
Stoppelbear<strong>bei</strong>tung, Fotos: TU Dresden, Bioland<br />
No. 6 / 28<br />
6
Ar<strong>bei</strong>tsbild Doppelherzschar<br />
Oberfläche:<br />
Grobe Struktur, starke Mischwirkung, Rillenformung <strong>der</strong> letzten Schare<br />
Sohle:<br />
Charakteristische Ausbildung von Längsrillen mit seitlichen, schrägen Bruchlinien<br />
No. 7 / 28<br />
7
Ar<strong>bei</strong>tsweise des Flügelschares<br />
Parameter:<br />
Scharbreite 32 …. > 50 cm<br />
opt. Strichabstand 30 … 45 cm<br />
opt. Ar<strong>bei</strong>tstiefe 8 … 20 cm<br />
Quelle: LfULG 2011, Untersuchungen zur<br />
Stoppelbear<strong>bei</strong>tung, Fotos: TU Dresden, Bioland<br />
No. 8 / 28<br />
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Ar<strong>bei</strong>tsbild Flügelschar<br />
Oberfläche:<br />
feinere Kluten, signifikante Längsstruktur, starke Mischwirkung<br />
Sohle:<br />
Charakteristische Ausbildung dachförmigen Längsrillen mit seitlichen, schräg<br />
ansteigenden Schnittlinien<br />
No. 9 / 28<br />
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Ar<strong>bei</strong>tsweise des Gänsefußschares<br />
Parameter:<br />
Scharbreite 32 …. > 50 cm<br />
opt. Strichabstand 30 … 45 (.. >100) cm<br />
opt. Ar<strong>bei</strong>tstiefe 5 … 10 (15) cm<br />
Quelle: LfULG 2011, Untersuchungen zur<br />
Stoppelbear<strong>bei</strong>tung, Fotos: TU Dresden, Bioland<br />
No. 10 / 28<br />
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Ar<strong>bei</strong>tsbild Gänsefußschar<br />
Oberfläche:<br />
Wenig Bodenbewegung, flächiges Anheben, gleichmäßiges Ar<strong>bei</strong>tsbild, geringe<br />
Mischwirkung<br />
Sohle:<br />
Nahezu ebene Sohle, ebene Schnittlinien<br />
Unter ungünstigen Bedingungen/ großen Spreizwinkeln: Neigung zu Schmiersohlen <strong>und</strong><br />
zum Schieben von Material, Einzugsverhalten!<br />
No. 11 / 28<br />
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Vergleich: Kurzscheibenegge<br />
Parameter:<br />
Scharbreite 32 …. > 50 cm<br />
Strichabstand 12 ..15 cm<br />
opt. Ar<strong>bei</strong>tstiefe … 8 cm<br />
Quelle: LfULG 2011, Untersuchungen zur<br />
Stoppelbear<strong>bei</strong>tung, Fotos: TU Dresden, Bioland<br />
No. 12 / 28<br />
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Ar<strong>bei</strong>tsbild Kurzscheibenegge<br />
Oberfläche:<br />
Intensive Bodenbewegung, gleichmäßiges Ar<strong>bei</strong>tsbild, starke Mischwirkung<br />
Sohle:<br />
Starke Rillenbildung, keine Bruchlinienausbildung zur konvexen Scheibenseite, Nahezu ebene<br />
Sohle, ebene Schnittlinien<br />
Einzugsverhalten <strong>und</strong> sicheres Erreichen <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tstiefe <strong>bei</strong> trockenem Boden; gleichmäßige<br />
Ar<strong>bei</strong>tstiefe <strong>bei</strong> Klappvarianten; ‚Einschmieren‘ <strong>bei</strong> Nässse, Ar<strong>bei</strong>tstiefe <strong>der</strong> 1. / 2.<br />
Scheibenreihe<br />
No. 13 / 28<br />
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Problem: gleichmäßige Ar<strong>bei</strong>tstiefe<br />
Flache (5..8cm), ganzflächige Ar<strong>bei</strong>t zwingt zur exakten Einhaltung <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tstiefe<br />
Quelle: FiBL, K.-<br />
P. Wilbois<br />
Problembereiche:<br />
- Fahrspuren 5 .. 15 cm,<br />
-‚zäher‘ Bewuchs<br />
- Bodenschadverdichtungen<br />
nahezu unmöglich:<br />
- mit starr am Rahmen geführten Werkzeugen <strong>bei</strong> langer Bauweise (Schälpflug)<br />
- <strong>bei</strong> schlechtem Einzugsverhalten (Freiwinkel, Schnittwinkel)<br />
- <strong>bei</strong> schlechten Schnittbedingungen am Scharflügel (Spreizwinkel), insbeson<strong>der</strong>e<br />
<strong>bei</strong> feuchten, lockeren Böden<br />
- mit großem Gelenkspiel in Klappkinematiken (Aufsattel – Klappgeräte)<br />
No. 14 / 28<br />
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Lösungsansätze<br />
• Separate Stützrä<strong>der</strong> <strong>der</strong> Werkzeugsektionen<br />
• Kurze Bauweisen<br />
• Separat, tiefengeführte Werkzeuge<br />
• Hohe Standzeiten <strong>der</strong> Werkzeuggeometrie<br />
• Selbstschärfende Schneiden<br />
Quelle: Treffler Präzisions Grubber TG 580<br />
(Werkbild)<br />
Quelle: ROTAPULL - Konzept, TU Dresden, Mohn Manufaktur GmbH<br />
Quelle: Werkzeugführung Kuhn Striger zur<br />
Streifenbear<strong>bei</strong>tung)<br />
No. 15 / 28<br />
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<strong>Energiebedarf</strong> <strong>bei</strong> <strong>der</strong> Bodenbear<strong>bei</strong>tung<br />
Zusammenhang von Zugkraftbedarf; Zugleistung; Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
(die Zusammenhänge gelten für das Einzelwerkzeug <strong>und</strong> das Gesamtgerät)<br />
Bear<strong>bei</strong>tungsquerschnitt<br />
b …. Ar<strong>bei</strong>tsbreite<br />
t … Ar<strong>bei</strong>tstiefe<br />
statischer Anteil<br />
Boden-, Werkzeug-, Geschwindigkeitsabhängige<br />
Parameter<br />
k …. spez. Bodenwi<strong>der</strong>stand<br />
e … Konst. des dyn. Zuges<br />
v f<br />
… Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
dynamischer Anteil<br />
Zugkraftbedarf: F z<br />
= b ·t·(k + e·v f<br />
²) [kN]<br />
Zugleistung: P z<br />
= F z ·v[kW]<br />
optimale Werkzeugform<br />
e = 3 … 10 kNs²/m 4<br />
Grubber:<br />
k = 1,2 kN/m²<br />
leichte Böden<br />
k = 2,5 kN/m²<br />
sehr schwere Böden<br />
Bear<strong>bei</strong>tbarkeit<br />
Quellen: Gorjackin, Souceck, TU Dresden<br />
No. 16 / 28<br />
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Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit <strong>und</strong> Zugkraftbedarf<br />
F z = b ·t ·(k + e·v f ²) [kN]<br />
P z = F z ·v [kW]<br />
Verdopplung <strong>der</strong><br />
Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
►3 fache Zugkraft<br />
≙ 80,1 kN !<br />
Kurvenanstieg ist abhängig von :<br />
- von <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
- von den Koeffizienten e <strong>und</strong> k<br />
- von <strong>der</strong> Vollständigkeit <strong>der</strong><br />
Bear<strong>bei</strong>tung (Querschnitt/ Profil)<br />
= 58,7 kW<br />
Ø B1-4, 26,7 kN<br />
Quelle: Gorjackin, Souceck, ergänzt<br />
LfULG, 2010 Ostrau<br />
Ø Versuche B1-4,<br />
FS – Grubber, Lößlehm<br />
e .. 8, mittelschwer<br />
No. 17 / 28<br />
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Entwicklung <strong>der</strong> Gerätemassen<br />
Klappbare, schwere X -<br />
Scheibeneggen<br />
Anstieg <strong>der</strong> spez. Gerätemassen um 5 ... 10 kg/a<br />
» auf das bis zu 2,5 fache in 50 Jahren<br />
» Steigerung des Dieselverbrauchs auf das 1,5<br />
fache [*]<br />
∆ 1,5 ... 2,5 ... (3,2)<br />
Entwicklung <strong>der</strong> spezifischen Gerätemassen in den letzten 60 Jahren [eigene Recherchen; * Zugkraftuntersuchungen H. Döll]<br />
No. 18 / 28<br />
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Konstruktionshistorie: Profile <strong>und</strong> Werkstoff<br />
Flachstahl<br />
z. B. Fl 80x10<br />
U-Profil warmgew.<br />
z. B. U 80<br />
Hohlprofil<br />
z. B. Vk 100x5<br />
Rahmenprofil<br />
1960 2010<br />
m‘ [kg/m]<br />
W b [cm³]<br />
F[%]<br />
6,28 8,64 14,4<br />
10,6 26,5 54,2<br />
100 250 511<br />
F 2,3<br />
F 5,11<br />
Werkstoff<br />
R m [N/mm²]<br />
St 37 S 355<br />
340 490<br />
F 1,44<br />
Festigkeitssteigerungen <strong>der</strong> Tragstrukturen auf das 8 fache<br />
Gewichtszunahme auf das 2,3 fache<br />
Konstruktion <strong>und</strong> Werkstoff [eigene Recherchen]<br />
No. 19 / 28<br />
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Strategien zur Zugkraftreduzierung<br />
Verfahren<br />
- Erhöhen <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tsbreite statt <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit zur<br />
Erhöhung <strong>der</strong> Flächenleistung<br />
- Bodenbear<strong>bei</strong>tung nur so tief wie erfor<strong>der</strong>lich<br />
- Optimaler Bear<strong>bei</strong>tungszeitpunkt<br />
Technik<br />
- Anpassen <strong>der</strong> Schargeometrie an das Ar<strong>bei</strong>tsziel<br />
(Wechselscharsysteme)<br />
- Funktionstrennung durch Werkzeugsektionen o<strong>der</strong> angetriebene<br />
Werkzeuge<br />
- Variable Werkzeugeinstellung in Abhängigkeit <strong>der</strong><br />
Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
- Hohe Standzeit <strong>der</strong> Werkzeuggeometrie<br />
No. 20 / 28<br />
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Problem Verschleißschutz<br />
Suche nach Lösungen zu langer Standzeit <strong>der</strong> Scharkontur<br />
Quelle: Werkbild Betek<br />
Vorteile:<br />
- geringerer Zugkraftbedarf im Lebenszyklus<br />
- <strong>bei</strong>behalten <strong>der</strong> eingestellten Ar<strong>bei</strong>tstiefe<br />
- geringere Neigung zur Sohlenbildung<br />
- weniger Rüstzeit/ Stillstandszeit<br />
Kosten - Nutzen:<br />
- Heute etwa 7fache Standzeit<br />
<strong>bei</strong><br />
- etwa 4-5fachem<br />
Anschaffungspreis<br />
No. 21 / 28<br />
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Aktuelle Entwicklungen<br />
- Auftragsschweißung von Hartstoffschichten zur Reparatur<br />
- Hartmetallwerkzeuge sind nur <strong>bei</strong> völliger Neukonstruktion <strong>der</strong> Wirkpaarung<br />
Gr<strong>und</strong>körper, HM – Auflage leistungsfähig<br />
- Verän<strong>der</strong>te Gr<strong>und</strong>körper sind in Bezug auf die Ar<strong>bei</strong>tsweise nicht erforscht,<br />
Herstellern fehlen die Möglichkeiten<br />
- Masseoptimierung/ Selbstschärfeffekt bleiben als Problem<br />
Quelle: Werkbild Betek<br />
No. 22 / 28<br />
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Entwicklungsaufwand Werkzeugkonstruktion<br />
Quelle: Entwicklungsmuster Hartmetallapplikation, Werkbild Betek<br />
No. 23 / 28<br />
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Zusammenfassung 1<br />
• Ar<strong>bei</strong>tsziel bestimmt die Werkzeugauswahl (Grubberschar)<br />
• Flache Schnittwinkel am Schar (z. B. Gänsefuß-, TL-Schare) haben<br />
geringeren Einfluß auf den DK Mehrverbrauch <strong>bei</strong> steigen<strong>der</strong><br />
Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit<br />
• Werkzeugfehlstellungen (z.B. seitliches Verschieben <strong>der</strong><br />
Scheibensegmente <strong>bei</strong> Kurzscheibeneggen) führen unweigerlich zu<br />
Schrägzug<br />
• Verdopplung <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tsbreite statt Verdopplung <strong>der</strong><br />
Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit = DK Einsparung von ≈ 30%<br />
• Anpassung <strong>der</strong> Gerätear<strong>bei</strong>tsbreite (-tiefe) an des Zugvermögen des<br />
Traktors äußerst sinnvoll<br />
• Werkzeugverschleiß nimmt mit <strong>der</strong> Ar<strong>bei</strong>tsgeschwindigkeit progressiv zu<br />
No. 24 / 28<br />
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Anpassung <strong>der</strong> Gerätear<strong>bei</strong>tsbreite/<br />
Strichabstand<br />
-Ar<strong>bei</strong>t mit eingeklappten<br />
Grubberseitenteilen in schweren Böden<br />
(z.B. Köckerling Quadro)<br />
-Verdoppeln des Strichabstandes <strong>bei</strong> tiefer<br />
Bear<strong>bei</strong>tung schwerer Böden (Vä<strong>der</strong>stad<br />
Cultus)<br />
Quelle: Werkbild Vä<strong>der</strong>stad<br />
No. 25 / 28<br />
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Verhin<strong>der</strong>ung von Seitenzug<br />
Quelle: Vä<strong>der</strong>stad<br />
Foto: TU Dresden<br />
Beispiel Kurzscheibenegge:<br />
Die hintere Scheibenreihe muss exakt in <strong>der</strong> Mitte <strong>der</strong> Vor<strong>der</strong>en (auf Lücke) laufen<br />
um auftretende Seitenkräfte zu kompensieren<br />
No. 26 / 28<br />
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Zusammenfassung 2<br />
Die Möglichkeiten heutiger BB-Systeme sind begrenzt.<br />
Die Entwicklung mo<strong>der</strong>ner, energiesparen<strong>der</strong> Werkzeugkonzepte <strong>und</strong><br />
Gerätesysteme für die Bodenbear<strong>bei</strong>tung ist zwingend, da sich<br />
Rahmenbedingungen än<strong>der</strong>n <strong>und</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen steigen.<br />
Herausfor<strong>der</strong>ungen:<br />
- Interdisziplinäre, vernetzte FuE Ar<strong>bei</strong>ten<br />
(Landwirte, Geräte-, Werkzeughersteller,<br />
Forschungseinrichtungen)<br />
- Gemeinsame Ressourcennutzung<br />
(Labore, Feldtests,..)<br />
- Wie<strong>der</strong>aufnahme <strong>der</strong> Gr<strong>und</strong>lagenforschung<br />
im Bereich <strong>der</strong><br />
Bodenbear<strong>bei</strong>tung unter Nutzung<br />
heutiger Möglichkeiten (numerische<br />
Simulation, optische High-Speed<br />
Analysen, ...)<br />
Hemmnisse:<br />
- Geringe Vernetzung <strong>der</strong><br />
Herstellen von BB-technik <strong>bei</strong><br />
unvergleichbar hoher<br />
Herstellerzahl (EU über 100)<br />
- För<strong>der</strong>politische Unmöglichkeit<br />
<strong>der</strong> Kombination von<br />
Landwirtschaftsforschung <strong>und</strong><br />
Technologieentwicklung<br />
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit <strong>und</strong> Erfolg <strong>bei</strong> <strong>der</strong><br />
standortgerechten Bodenbear<strong>bei</strong>tung!<br />
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