G ETR E I DE E R NTE
Fol ker Beck, Petre Miu und Heinz D ieter Kutzbach, Hohenheim
Simulation des Gesamt-Mähdreschers
Mit Simulationswerkzeugen lässt sich der Versuchsaufwand in der Mähdrescherentwicklung reduzie
ren. In diesem Beitrag wird ein mo
dular aufgebautes, mathemati
sches Mähdrescher-Gesamtmodell vorgestellt und ein Anwendungs
beispiel für die Guiflusssimulation gezeigt. Die Simulationsergebnisse sind realistisch. Deshalb stellt das Simulationswerkzeug ein zeitspa
rendes Hilfsmittel in der Mähdre
scherentwicklung dar.
Dipl.-lng. Folker Beck ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Dr.-lng. Petre Miu war Gastwissen
schaftler am Lehrstuhl Verfa hrenstechnik in der Pflanzenproduktion mit Grundlagen der Landtechnik (Leiter: Prof. Dr.-lng. Heinz-Dieter Kutzbach), Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim, Ga rbenstraße 9, 70599 Stuttgart, e-mail:
kutzbach@uni-hohenheim.de.
Die Autoren danken der Deutschen Forschun gsge
meinschaft und der Alexander-von-Humboldt
Stiftung für die finanzielle Unterstützung der Forschungsa rbeiten.
Schlüsselwörter
Mähdrescher, Simulation, Modell, Entwicklungs
werkzeug
Keywords
Combine harvester, Simulation, model, engin eering tool
90
M
it zunehmenden Durchsatzleistungen moderner Mähdrescher steigt der Zeit- und Kostenaufwand für weitere konstruktive Verbesserungen. Da sich durch Einsatz von Simulationswerkzeugen die An
zahl der Versuche reduzieren lässt oder bei gleicher Versuchsanzahl zusätzliche Einflüs
se berücksichtigt werden können, sind in Zu
kunft neben kürzeren Entwicklungszeiten auch geringere Entwicklungskosten zu er
warten. Mit physikalisch fundierten, mathe
matischen Modellen lassen sich weiterhin nicht messbare physikalische Größen be
rechnen. Dadurch sind die Vorgänge in den Dresch- und Trennprozessen besser zu ver
stehen.
Modelle für die
Dresch- und Trennprozesse
Für die in Bild 1 gezeigten Prozesse eines konventionellen Mähdreschers werden die mathematischen Modelle vorgestellt. Die Kornahscheidung im Dreschwerk folgt Glei
chwlg ( 1 ) mit sehr guter Genauigkeit [ 1 ] . In der auf stochastischen Grundlagen aufge
bauten Gleichung stellt 'A die Ausdruschrate und ß die Abscheiderate von Korn im Dreschspalt dar. Dieses Modell gibt auch die Summenahscheidung von Axialdreschwer
ken mit sehr guter Genauigkeit wieder [2,3].
ss =
A�ß[�c (t -e ·ßx) -
ß(t -e-Äx) ]
( 1 )Für die Trennprozesse auf Schüttler, Vorbe
reitungsboden und Obersieb der Reini
gungsanlage lässt sich das kombinierte Ent-
N KB D resch werk
mischungs- und Abscheidemodell verwen
den [ 4]. Die Kornbewegung innerhalb der Gutschicht folgt den Gesetzen von Konvek
tion und Dispersion. Die Kornmassenvertei
lung u(y,t) im Abstand y von der Siebober
fläche zum Zeitpunkt t nach Eintritt in den Teilprozess hängt dabei von der mittleren Sinkgeschwindigkeit Vy und der Dispersi
onskonstanten Dy ab, Gleichung (2). Hat Korn die Sieboberfläche erreicht, so wird es nach einer kurzer Verzögerung abgeschie
den. Die Übereinstimmung der Simulations
ergebnisse mit den Messungen ist gut.
a 1, ) au D a2 u
"'r «vor ',l = -v Y Ty +
Y a?
(2)Die luftdurchströmte Fallstufe ist in der La- ge, die Gutschicht im Flug aufzulockern, zu entmischen und einen Teil der Nicht-Korn
Bestandteile (NKB) auszublasen. Gleichzei
tig wird bereits entmischtes Korn abgeschie
den. Diese Effekte sind in dem neuent
wickelten Modell berücksichtigt, das hier aber nicht weiter beschrieben wird.
Verknüpfung der Modelle
Die vorgestellten Teilprozessmodelle wer
den entsprechend dem Aufbau des konven
tionellen Mähdreschers unter Berücksichti
gung der Schichtung von Korn und NKB miteinander verknüpft. Die Schichtung von Korn und NKB bei Beginn eines jeden Teil
prozesses besitzt dabei großen Einfluss auf die Kornverluste des Mähdreschers. Die Fortsetzung auf Seite 97 S c h ütt l e r
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Bild 1: Dresch- und Trennprozesse im konventionellen Mähdrescher Fig. 1: Threshing and separation processes in a conventional combine
54. Jahrgang LANDTECH N I K 2/99
Bild 2: Theoretische Kornverteilung am Ende des Vorbereitungsbodens
Fig 2: Theoretical grain distribution at the end of the grain pan
Kornahscheidung des Obersiebes wird maß
geblich von der Schichtung am Ende des Vorbereitungsbodens beeinflusst (Bild 2).
Die Schichtung und die Dicke der Gut
schicht auf dem Obersieb wiederum ergeben sich aus den Korn- sowie NKB-Abscheide
strömen von Dreschwerk und Schüttler.
Durch den modularen Aufbau des Ge
samtmodells und die Verknüpfung der Pro
zessmodule lassen sich Auswirkungen von Gutflussänderungen auf nachfolgende Teil
prozesse untersuchen. Neben Konstruktion und Einstellung lassen sich auch Änderun
gen in den Stoffeigenschaften wie etwa die Brüchigkeit von Stroh bestimmen.
Das Modulkonzept bietet außerdem die Möglichkeit, Ergebnisse von unterschiedli
chen Versuchssständen zusammenzuführen.
Die Modellparameter /..,
ß
des Dreschwerkes einerseits sowie vy, Dy und Abscheidekonstante fiir Schüttler, Vorbereitungsboden und Obersieb andererseits können derzeit nicht mit einem einzigen Versuchsstand bestimmt werden. Sie stammen aus Versuchen mit dem Dresch- und Schüttler-Versuchsstand [5]
und dem Grundlagen-Reinigungs-Versuchs
stand [6].
Simulationsergebnisse
Am Beispiel einer Kennlinie mit variiertem Durchsatz werden Simulationsergebnisse gezeigt. Zusätzlich zum Durchsatz wird auch die NKB-Abscheidung von Dresch
werk und Schüttler variiert. Die Simulati
onsrechnungen bestätigen das aus Versuchen bekannte progressive Ansteigen der Korn
verluste mit zunehmendem Durchsatz.
In Bild 3 ist das Korn- und NKB-Abschei
deverhalten der Teilprozesse Dreschwerk und Schüttler sowie der Kornverlust von Reinigung und Gesamt-Mähdrescher darge
stellt. Die Ergebnisse sind über dem Ge
samt-NKB-Durchsatz aufgetragen, wobei das Korn: Stroh-Massenverhältnis ungefähr
1 : 1 beträgt.
Bild 3: Einfluss des Durchsatzes auf die Mähdre
scher- Teilprozesse Fig. 3: Effect of feed rate on combine processes
54. Jahrgang LANDTECH N I K 2/99
In den Diagrammen wird der NKB-Ab
scheidefaktor als zusätzlicher Parameter va
riiert. Damit lässt sich die NKB-Abschei
dung von Dreschwerk und Schüttler gegen
über den gemessenen Werten (= 1 00%) verändern, um den Einfluss stärkerer Stroh
zerstörung und -abscheidung auf die Be
rechnung abzuschätzen.
Im Dreschwerk nehmen sowohl die relati
ve Korn- als auch die gemessene relative NKB-Abscheidung mit zunehmendem Durchsatz ab. Ebenso sinkt auf dem Schütt
ler die gemessene NKB-Abscheidung.
Durch den wachsenden Kornmassenstrom des Schüttlers steigt der Kornverlust aller
dings progressiv. Mit zunehmendem NKB
Abscheidefaktor verringert sich die NKB
Schichtdicke auf dem Schüttler. Somit verringert sich auch der vertikale Durch
dringungsweg fiir Korn, so dass der Korn
verlust abnimmt.
Auch das Verlustverhalten der Reinigung entspricht mit dem progressiven Verlauf der Realität. Dies gilt vor allem fiir große NKB
Abscheidefaktoren. Das Korn : NKB-Mas
senverhältnis liegt hier zwischen 84: 1 6 und 62:38 (NKB-Abscheidefaktor von 1 00%
und 300% ). In [7] werden Versuchsergebnis
se an einer Original-Mähdrescherreinigung mit unterschiedlichem Korn : NKB-Massen
verhältnis vorgestellt. Der bei ungünstigem Korn : NKB-Massenverhältnis berechnete stark zunehmende Kornverlust der Reini
gung wird mit diesen Versuchen bestätigt.
Für den Gesamt-Mähdrescher nimmt der Kornverlust erwartungsgemäß progressiv zu.
Zusammenfassung
Das vorgestellte Simulationswerkzeug ist zur Berechnung des Gutflusses im Mähdre-
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scher geeignet. Es können damit konstrukti
ve Parameter, Einstellparameter und Stoff
eigenschaften fiir einzelne Teilprozesse vari
iert und Auswirkungen auf nachfolgende Teilprozesse untersucht werden. Simulati
onsrechnungen sind zur Ergänzung teurer Versuche geeignet und können deshalb ein wertvolles Hilfsmittel in der Mähdrescher
entwicklung darstellen.
Literatur
Bücher sind mit • gekennzeichnet [1 ] • Miu, P.l.: M odelarea procesului de treier Ia
combinele de recoltat cereale (Modellierung des Dreschprozesses im Mähdrescher). Politehnica Universität Bukarest, Dissertation, 1995 (unveröf
fentlicht)
[2] Miu, P.l., P. Wackerund H D. Kutzbach: A Compre
hensive Simulation Model of Threshing and Separating Process in Axial Units. Part I. Further Model Development. AgEng Oslo, 24.-27. August 1 998, Paper 98A- 1 1 5
[3] Miu, P. l . . P. Wacker u n d H.D Kutzbach: A Compre
hensive Simulation Model of Threshing and Separating Process in Axial Units. Part I I . Model Validation. AgEng Oslo, 24.-27. August 1 998, Paper 98A-1 1 6
[4] Beck, F. Y. Zhao und H D. Kutzbach: Simulation der Korn/Stroh/Spreu-Trennprozesse im Mähdre
scher. VDI/MEG Kolloquium La ndte chnik .. Mähdrescher", Stuttgart/Ho henheim, 1 7./18.
März 1997, H. 28, S. 1 67 - 176
[5] • Büermann. M.: Untersuchungen zum Einfluss der geometrischen Zuordnung der Förder- und Trennelemente auf das Abscheideverhalten von Tange nti a ld reschwerken. Fa rts c h ritt-Berichte, VDI Reihe 1 4, N r. 78, Dissertation, Stuttgart, 1996 [6] Zhao. Y.. F Beck und H.D. Kutzbach: Mähdrescher
reinig ung - Einfluss der Luftverteilung unter dem O bersieb. Landtechnik 53 (1 998). H. 5, S. 290 - 291 [7] Wacker. P.: Einflüsse auf die Zusammensetzung
des Reinigungsgutes in Mähdreschern.
VDI/MEG-Tagung Landtechnik, Hohenheim, 13.- 14. Oktober 1994, S. 35.1 - 35.3
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Dresch werk/ Ihreshing uni!
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