Herausforderungen bei der Konstruktion von Landmaschinen
Der Markt für Landmaschinen ist hart umkämpft. Die Hersteller von Landmaschinen müssen die Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Produkte kontinuierlich verbessern, aber zugleich Innovationen vornehmen und Lösungen liefern, die auf die Anforderungen des Agrarsektors zugeschnitten sind.
Eine Herausforderung liegt in dem großen Einsatzspektrum und den unterschiedlichen Bedingungen, unter denen die Maschinen funktionieren müssen. Traktoren, Mähdrescher und Feldhäcksler sind für die Arbeit mit einer Reihe von Schüttgütern wie Feldfrüchte (in verschiedenen Stadien der Verarbeitung), Saatgut und Böden ausgelegt, die alle je nach Standort und saisonalen Bedingungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können. Diese Variabilität der Materialien kann einen starken Einfluss auf die Leistung der Maschinen haben.
Mähdrescher müssen zum Beispiel mit Erdreich, Getreidekörnern und auch Faserstoffen umgehen können. Durch die kohäsiven Eigenschaften der Fasern könnten die Erntemaschine blockieren, und nicht optimiertes Schnittgut könnte eine schlechte Qualität der Ernte und des Endprodukts zur Folge haben.
Auch bei Förderschnecken, die in Mähdreschern und anderen landwirtschaftlichen Bereichen zum Transport von Getreide eingesetzt werden, kann der Materialumschlag eine Herausforderung darstellen. Beim Transport des Saatguts ist es wichtig, kein Material in der Schnecke zurückzulassen, welches das Produkt kontaminieren könnte. Einige Getreidearten oder -mischungen können abrasiv sein und zu Problemen durch Geräteverschleiß führen, insbesondere bei fortlaufenden Prozessen für den Schüttguttransport. Die Optimierung der Schneckenentladung ist daher von entscheidender Bedeutung.
Im Falle von Bodenbearbeitungsmaschinen kommen deren Messer möglicherweise mit verschiedenen Böden mit unterschiedlicher Kompressibilität und Klebrigkeit oder vielleicht mit härteren Materialien wie Gestein in Berührung, was sich alles auf die Leistungsfähigkeit der Maschine auswirken kann. Diese Auswirkungen eines bestimmten Materials auf die Maschinen vorherzusagen zu können und den potenziellen Verschleiß von Werkzeugen zu ermitteln, ist ein Schlüsselaspekt, um sicherzustellen, dass die Maschine die erwartete Leistung und Lebensdauer erbringt.
In all diesen Beispielen ist die Vorhersage des Schüttgutverhaltens von Materialien und die Auswirkungen auf die Maschine entscheidend für die Effizienz und Leistung; stellt jedoch aufgrund der Komplexität und Variabilität von Schüttgütern eine Herausforderung dar. Der Einsatz physikalischer Tests für neue Maschinendesigns ist kostspielig und hat seine Grenzen, insbesondere wenn es um Feldtests geht, wo das Verpassen eines saisonalen Testfensters aufgrund ungünstiger Wetterbedingungen die Markteinführung neuer Konstruktionen erheblich verzögern kann.
Simulation im Designprozess verwenden
Der Einsatz von Simulations- und Computer-Aided-Engineering (CAE)-Werkzeugen bietet viele Vorteile für die Maschinenentwicklung, da sie die virtuelle Prüfung von Anlagen ermöglicht. Wie bereits erwähnt, ist bei der Simulation landwirtschaftlicher Prozesse die Einbeziehung des zu verarbeitenden Materials ein wichtiger Aspekt. Ermöglicht wird das mit Hilfe einer Modellierungstechnik, der sogenannten Diskrete-Elemente-Methode (DEM). Bei der DEM handelt es sich um eine numerische Methode auf Partikelebene zur Modellierung des Schüttgutverhaltens von granularen Materialien wie Getreide, Samen, Feldfrüchten, Erdreich und Stängeln. Die DEM ermöglicht es, das Verhalten dieser Materialien nachzubilden und zu analysieren, wie sie mit einem Maschinenteil unter verschiedenen Betriebs- und Prozessbedingungen interagieren werden.
DEM-Werkzeuge wie die Altair EDEM™-Software können für den Entwurf, die Performancetests und die Optimierung von Landmaschinen wie Mähdreschern, Heu- und Futtermaschinen, Bodenbearbeitungswerkzeugen, Sämaschinen/Düngegeräten und Getreideverarbeitungs- und ‑transportsystemen eingesetzt werden.
Der Einsatz von EDEM-Schüttgutsimulation als Teil des Konstruktionsprozesses kann für Hersteller von Agrargeräten viele Vorteile mit sich bringen. Dazu zählen folgende Fähigkeiten:
- Vorhersage von kompliziertem Schüttgutverhalten wie Schnitt, Transport und Häckseln von Faserstoffen
- Vorhersage des Materialflusses von Produkten wie z. B. Getreide, um optimale Materialflusseigenschaften zu erzielen
- Identifizierung von Blockaderisiken in der Maschine aufgrund hoher Flussraten, impulsiver Flüsse, kohäsiver/feuchter Materialien oder langfaseriger Materialien
- Untersuchung der Interaktionsreaktionen von Werkzeugverschleiß bei Böden- oder Getreidemischungen
- Vorhersage der kinematischen Reaktion der Maschinen bei Steinschlag von großen Steinen, oder des Effekts bei komprimierten oder klebrigen Materialien
- Durchführung von Tests außerhalb der Saison, ohne dass Prototypen in Gebiete geschickt werden müssen, in denen Getreide wächst, wodurch der Bedarf an physischen Prototypen verringert wird
Der Einsatz der EDEM-Schüttgutsimulation kann daher dazu beitragen, einige der Herausforderungen bei der Konstruktion von Landmaschinen zu meistern. Dieses Simulationsverfahren ermöglicht es Herstellern, wichtige Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Erntegut und Maschine sowie zwischen Boden und Maschine zu gewinnen und Konstruktionen für eine Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften virtuell zu testen.
EDEM kann auch in Verbindung mit anderen CAE-Tools wie Mehrkörpersimulation, Finite-Elemente-Analyse und Computational Fluid Dynamics eingesetzt werden. Dies erlaubt einen besseren Einblick in die Maschinenleistung und die Gewissheit, dass die Simulationen realitätsnahe Szenarien abbilden.
Ihr Engineering-Toolkit mit EDEM zu ergänzen, kann Herstellern dabei helfen, Konstruktionszyklen zu verkürzen, Produktentwicklungszeit und ‑kosten zu reduzieren, den Bedarf und damit die Kosten für physische Prototypen zu senken sowie Produktinnovationen voranzutreiben.
Erfahren Sie mehr über die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten der EDEM Simulation bei der Entwicklung von Landmaschinen in diesem eBook: EDEM Applications in the Design of Agricultural Machinery
