Konstrukteure von Schwerlast-Achssteuerungen haben bislang üblicherweise Hydraulikzylinder spezifiziert, sei es aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Verstellkraft oder Belastbarkeit. Die damit verbundene Notwendigkeit einer komplexen Infrastruktur, das problematische Handling der Druckflüssigkeiten und die begrenzten digitalen Möglichleiten wurden, wenn auch widerwillig, als unvermeidbares Übel akzeptiert. Jüngste Weiterentwicklungen bieten jedoch die Vorteile der Hydraulik bei Wegfall der genannten Nachteile, indem sie die Hydrauliktechnologie in elektrische Linearaktuatoren integrieren.
Ein Paradebeispiel für eine Anwendung, die aus diesem neuen Konzept Kapital schlägt, ist die Optimierung der Saatgut-Tiefenregelung für Mehrreihen-Sämaschinen. Graham Electric Planter, ein im US-Bundesstat Colorado ansässiges, innovatives Unternehmen der Agrartechnik, hat eine Lösung auf der Basis elektrohydraulischer Aktuatoren von Thomson Industries, Inc. entwickelt. Sie stattet herkömmliche Sämaschinen mit einer interaktiven Echtzeit-Regelung der Saatgut-Ablagetiefe aus, vermeidet aber die übliche Komplexität und Wartungsintensivität klassischer Hydraulikzylinder.
Je einfacher, desto besser
Landwirte, die Mais, Soja und andere Reihenkulturen anbauen, wissen in der Regel, wie tief sie ihr Saatgut für einen maximalen Ertrag ablegen müssen. Doch die konstante Einhaltung dieser Ablagetiefe angesichts von Bodenbedingungen, die sich täglich von Feld zu Feld, von Reihe zu Reihe und sogar innerhalb der Reihen ändern, stellt sie vor eine große Herausforderung. Wird das Saatgut zu flach abgelegt, kann dies eine zu oberflächennahe Bewurzelung verursachen, während eine zu tiefe Lage der Saatkörner möglicherweise den Feldaufgang verzögert.
Bei den meisten heute verwendeten, traktorgezogenen Sämaschinen werden die Säschare durch mechanische Federn nach unten gedrückt, um die gewünschte Tiefe der Saatrillen zu erreichen. Diese Federn haben aber keine Möglichkeit, sich an wechselnde Bodenbedingungen anzupassen.
„Wir haben mit vielen Landwirten gesprochen, die keine neue Sämaschine anschaffen wollten, die aber nach einer Lösung suchten, die mit wechselnden Böden besser umgehen kann, als die bislang genutzten Federn“, berichtet Marty Graham, geschäftsführender Gesellschafter des Unternehmens.
Also machte sich Graham daran, die mechanischen Federn durch Aktuatoren zu ersetzen, die schnell und nahezu in Echtzeit reagieren können. Getreu der Unternehmensphilosophie „Je einfacher, desto besser“ kam man zu dem Schluss, dass die benötigte Antriebslösung als Mindestanforderung die folgenden Eigenschaften aufweisen musste:
- Widerstandsfähigkeit gegen die Naturelemente
- Hohe Stoßfestigkeit
- Minimale Anforderungen an externe Infrastruktur
- Sauberer, wartungsarmer Betrieb
- Anbindung per Drahtlos-Technologie
Herkömmliche Hydraulikzylinder erfüllten zwar die ersten beiden Anforderungen, für Graham schieden sie jedoch aus.
„Wir wollten Hydraulikzylinder vermeiden, da sie häufig Chaos schaffen, indem sie zahlreiche Anschlüsse, Schläuche und Kabel erfordern“, so Graham und fügt hinzu, dass die Unterstützungssysteme bereits überlastete Hydrauliksysteme versorgen, die für andere Funktionen benötigt werden. Hinzu käme eine aufwändige Infrastruktur für die Druckmedien, inklusive der Gefahr von Undichtigkeiten und damit verbundenen Verschmutzungen.“
Die Abkehr von Hydraulikzylindern führte ihn zu elektrischen Aktuatoren, die jedoch nicht die nötige Widerstandsfähigkeit besaßen.
„Wenn die Maschine über das Feld fährt und auf einen Erdklumpen oder Stein trifft, muss der Aktuator nachgeben können“, erläutert Graham. „Normale Aktuatoren mit Kugelgewindetrieb können sich dabei verbiegen und müssten andauernd ausgetauscht werden.“
Ein Hydrauliksystem im Gewand eines Elektro-Aktuators
Auf der Suche nach weiteren Möglichkeiten entdeckte Graham einen elektrischen Aktuator von Thomson mit einer integrierten Hydraulikfluid-Kammer. Er bot die für seine Zwecke erforderliche Robustheit und Kommunikationsfähigkeit, ohne auf eine komplizierte und wartungsintensive externe Infrastruktur angewiesen zu sein.
Der elektrohydraulische Aktuator Thomson H-Track bietet das kompakteste Gehäuse seiner Klasse, in dem ein patentiertes Design aus Ventil und Ausgleichsbehälter Platz findet. Ein angebauter Motor steuert die Strömungsrichtung des Fluids im Inneren des Aktuators, während durch ein Wechselventil verbundene Doppeltanks für den Gegendruckausgleich und damit für die Elastizität des Systems sorgen.
Der H-Track Aktuator selbst nimmt weniger Platz ein als ein Hydraulikzylinder und erfordert keinen externen Fluid-Ausgleichsbehälter für die Versorgungsleitungen zu jeder Pflanzreihe.
Das Gehäuse des H-Track ist hermetisch abgedichtet, wetterfest, staubdicht, korrosionsbeständig und erfüllt die Schutzarten IP67 (statisch) für zeitweiliges Untertauchen sowie IP69K für die Hochdruckreinigung. Darüber hinaus kann der Aktuator mit Hydraulikfluiden betrieben werden, die Temperaturen bis 82 °C vertragen. Die werkseitig geschmierten Einheiten erfordern keinerlei weitere Justierung oder Wartung und garantieren über ihre gesamte Lebensdauer eine gleichbleibend hohe Leistung.
„Wir haben kein anderes Produkt gefunden, das an die Vorteile des H-Track heranreicht“, betont Graham. „Der Schlüssel ist die in sich geschlossene, Hydraulikkammer. Andere Anbieter versuchen, den Effekt eines Ausgleichsventils in einer Hydraulikkammer nachzubilden; ihre Lösungen sind aber nicht annähernd so gut wie die von Thomson.“
Mit dem elektrohydraulischen Linearaktuator H-Track von Thomson konnte Graham Electric ein kompaktes, drahtloses Regelungssystem für die Saatgut-Ablagetiefe implementieren, das sich bereits im ersten Jahr der Nutzung amortisieren dürfte.
Elektronische Tiefenregelung in Aktion
Das Graham-Tiefenregelungssystem ist mit einer vakuumbetriebenen Säscheibe gekoppelt, die das Saatgut in den Boden einbringt. Eine übliche Sämaschine kann pro Durchgang bis zu 24 Reihen mit einer Tiefenregelungseinheit bearbeiten und benötigt daher einen Aktuator pro Reihe.
Graham fertigt für jeden Anwendungsfall ein maßgeschneidertes System. In einer typischen Konfiguration laufen hinter jeder Säscheibe spezielle Messräder in der Saatrille. Ein Wägezellen-Sensor überwacht die Tiefe der Messräder und übermittelt diese Information drahtlos an die Regelungssoftware. Ein Algorithmus ermittelt, ob die Messräder zu hoch oder zu tief im Boden laufen, und gibt dem Aktuator den Befehl, den Anpressdruck entsprechend zu erhöhen oder zu verringern. „Erhält der elektrohydraulische H-Track ein Signal, dass zu viel Druck ausgeübt wird, löst er den Druck. Das befiehlt unserer Elektronik, ihn zurückzusetzen, und er kehrt zur vorherigen Position zurück“, beschreibt Graham das Konzept.
Die individuell auf die jeweiligen Bedürfnisse des Landwirts individualisieren Sämaschinen-Tiefenregelung von Graham Electric nutzt den Thomson H-Track Aktuator.
Mit nur zwei Drähten ist jeder einzelne Aktuator mit einer dahinter angebrachten, zugehörigen Wireless-Platine verbunden. Die Platine ermöglicht nicht nur den Empfang der Daten von den Sensoren zur Tiefenüberwachung, sondern auch die Bereitstellung von Echtzeit-Statuswerten an das Regelungs-Dashboard, sodass der gesamte Aussaatvorgang sichtbar wird
Mit dem Graham-Tiefenregelungssystem kann der Bediener den Druckstatus jedes einzelnen Aktuators (gelbe Balken links) überwachen und ggf. anpassen.
„Wir liegen normalerweise plus/minus 25 mm von unserem Sollwert und verstellen den Hub der Aktuatoren um 31,5 bis 85 mm“, berichtet Graham weiter. „Arbeitet ein Landwirt auf Terrassen oder extrem lockerem Boden, kann er sie ganz einfahren, oder bei sehr hartem Untergrund ganz ausfahren, aber der gesamte verfügbare Hub des Aktuators wird extrem selten genutzt.“
Der höchste Druck, den die Aktuatoren überhaupt ausüben müssen, liegt normalerweise 25 bis 45 kg bei dem Eigengewicht der Säeinheit von 113 kg und bleibt damit weit unter der Tragzahl des H-Track von 2180 kg.
Der Einbau des Systems erfolgt mit minimaler Beeinträchtigung der vorhandenen Systeme. Es nutzt die vorhandenen 12 Volt Bordspannung und erfordert keinerlei zusätzliche Fluid-Systeme oder Verdrahtung. Zudem sind weniger bewegliche Teile eingebaut, die defekt oder undicht werden können bzw. zusätzliche Wartung erfordern. Die elektrische Steuerung sorgt ohne Hydraulikleitungen oder andere kostspielige Komponenten für sanfte Linearbewegungen. Der H-Track verbraucht deutlich weniger Strom als ein vollhydraulisches System, da er nur für Energie benötigt, wenn er ein- oder ausfährt.
„Und nicht zuletzt erübrigt sich dank drahtloser Kommunikation die ansonsten notwendige Verkabelung, was unserem Ziel der Einfachheit ebenfalls zugute kommt“, erklärt Graham.
Bezifferbare Vorteile
Graham schätzt, dass der Umstieg von Federn zur elektrischen Saatgut-Tiefenregelung den Ertrag um mindestens 5 Prozent verbessern kann. Er rechnet vor, dass ein Landwirt, der 12,5 Tonnen Mais pro Hektar erzielt, eine Steigerung von 300 bis 370 kg erwarten kann. Das ergäbe bereits im ersten Jahr rund 38 € pro Hektar bzw. 38.000 € pro tausend Hektar – weit mehr als die Kosten des Umstiegs. Das summiert sich über die Jahre, nicht zu vergessen die eingesparten Kosten und Komplexität dank der Drahtlos-Technologie des Thomson H-Track Aktuators und der höhere Wiederverkaufswert.
„Der H-Track mit seiner gekapselten Hydraulikkammer bildet das Rückgrat für das gesamte Produkt“, so Graham. „Sobald uns dieses Element zur Verfügung stand, konnten wir unser Design komplettieren und zu dem marktfähigen Produkt machen, das wir nun seit zwei Jahren erfolgreich verkaufen. Ohne die Vorteile eines elektro-hydraulischen Aktuators hätten wir jetzt ein völlig anderes Produkt.“
Graham und sein Team beschäftigen sich mittlerweile mit weiteren Bereichen automatisierter Landmaschinen. In einigen Fällen kommen elektrohydraulische Aktuatoren zum Einsatz, in anderen herkömmliche Elektro-Aktuatoren, jeweils mit Drahtlos-Technologie.
Landwirte, die Mehrreihen-Sämaschinen (links) einsetzen, in denen das Tiefenregelungssystem von Graham mit elektrohydraulischen Thomson-Aktuatoren (rechts) arbeitet, haben in weniger als einem Jahr deutlich erhöhte Erträge und Investitionsrenditen erzielt.