Development of innovative solutions for displacement variation in hydrostatic machines

Along with the general requirement of continuously increasing efficiency of hydrostatic drivetrains, variable displacement machines are of major concern in research and development. To this effect, the whole machine performance is mainly dependent of the displacement variation system (DVS) performance. A lot of work to this topic focusses on the controller and actuator level. The aim of this paper is to offer a more fundamental view on DVS by giving a focus to the basic hydro-mechanical principles

Development of a hydrostatic transmission with integrated supply for working hydraulics

The paper presents a study of a highly integrated hydraulic powertrain for mobile working machines. The highlight of this new concept is the replacement of separated drive and working pumps in conventional systems with only one displacement pump. After a comparison of different system architectures, the appropriate operating and control strategies for the chosen topology were applied and optimized. With the help of simulations in AMESim, a proof of the function of the hydraulic circuit and the controlling has been established. In addition, the energy saving potential of the integrated hydraulic system is also considered, by comparing the energy consumption of the new and the conventional powertrain in different duty cycles

Echtzeitmessung von Traktionsparametern eines Traktors bei der Bodenbearbeitung

Der Systemwirkungsgrad eines Traktors bei der schweren Bodenbearbeitung wird von den Verlusten bestimmt, die aus dem Reifen-Boden-Kontakt resultieren. Der Bediener kann diese Verluste durch eine angepasste Ballastierung und einen angepassten Reifendruck minimieren. Eine Analyse des Stands der Forschung zeigt, dass es für eine Optimierung des Traktionswirkungsgrads nicht ausreicht, den Reifendruck bis an die Reifentrag­fähigkeitsgrenze abzusenken. Vielmehr muss der optimale Reifendruck für die aktuellen Traktionsbedingungen ermittelt werden. Hierfür wurden mit einem Versuchstraktor Reifen-Boden-Kennfelder für verschiedene Reifendrücke aus Sensordaten erzeugt und bewertet. Die Untersuchungen bestätigen zunächst, dass das Arbeiten an der Reifentragfähigkeitsgrenze nicht in jedem Fall zu maximalem Traktionswirkungsgrad führt. Die Bewertung unterschiedlicher Reifendrücke anhand der Kennfelder eignet sich bei homogenen Traktionsbedingungen, während die Bewertung bei heterogenen Traktionsbedingungen weiter erforscht werden muss.The losses occurring in the tire-soil contact dominate the system efficiency of a tractor in tillage applications. The operator can minimize these losses by adjusting the ballasting and the tire inflation pressures of the tractor. Analyzing scientific publications on off-highway traction shows that the lowest permissible tire inflation pressure does not necessarily lead to maximal tractive efficiency. The tire inflation pressure for maximal tractive efficiency has to be determined for the current traction conditions. Therefore, tire-soil mappings for different tire inflation pressures were generated from sensor data and evaluated based upon the resulting tractive efficiencies. The investigations initially confirm that working at the edge of the tire load capacity does not always lead to maximum tractive efficiency. The evaluation of different tire pressures on the basis of tire-soil mappings is suitable for homogeneous traction conditions, while the evaluation of heterogeneous traction conditions needs further research

Abrasive wear behaviour of 27MnB5 steel used in agricultural tines

Understanding the wear mechanisms in wear parts is a crucial element of tribological investigation, particularly in agricultural applications where the knowledge about abrasive micro-mechanisms of soil engaging tools are limited. In the current research, symmetrical skew wedge cultivator tines of 27MnB5 steel were wear tested to investigate the change in mass, linear dimensions, hardness and microstructure, aiming at prolonging the lifetime of these parts through design and material. The wear mechanisms were identified and characterized by non-contact 3D optical profilometry. Test results clearly shows a zone specific wear micro-mechanism based on the tine geometry. The cutting edge of the tine can be segmented into micro-cutting and micro-ploughing zone. Vickers hardness and microstructural analysis were performed on the cross-section of the sliding interface. Tribolayer was observed on the worn surface. Degree of penetration from the wear scratches was calculated to justify the wear micro-mechanisms. A Discrete Element Method (DEM) model was developed to investigate the soil flow during the tillage process. The model results and field test wear scars are in good agreement with each other with respect to the wear patterns

Efficient and high performing hydraulic systems in mobile machines

Hydraulic systems represent a crucial part of the drivetrain of mobile machines. The most important drivers of current developments, increasing energy efficiency and productivity, are leading to certain trends in technology. On a subsystem level, working hydraulics are utilizing effects by improving control functions and by maximum usage of energy recovery potential. Independent metering and displacement control, partly in combination with hybrid concepts, are the dominating approaches. Traction drives gain advantage from optimized power split transmissions, which consequently are being used in a growing number of applications. On the level of components, increase of efficiency and dynamics as well as power density are important trends. Altogether, design of systems and components is more and more based on modular concepts. In this sense, among others, sensors and control elements are being integrated to actuators; electric and hydraulic technology is being merged. In order to achieve maximum efficiency and performance of the entire machine, control of hydraulics has to include the whole drivetrain and the entire mobile machine in its application. In modern words, mobile hydraulic systems are a part of cyber physical systems

Development of hydraulic tanks by multi-phase CFD simulation

Hydraulic tanks have a variety of different tasks. The have to store the volume of oil needed for asymmetric actors in the system as well as to supply the system with preconditioned oil. This includes the deaeration as air contamination is affecting the overall system performance. The separation of the air in the tank is being realized mainly by passive methods, improving the guidance of the air and oil flow. The use of CFD models to improve the design of hydraulic tank is recently often discussed. In this paper, a design method for hydraulic tanks using CFD is presented and discussed. First the different requirements on a hydraulic tank are described as well as the motivation changing the tank designs. Additionally, a quick overview on different calculation models for the behavior of air in oil as well as the capabilities of CFD to reproduce them is given. After this the methodology of tank design applying CFD is presented. The method is then used in an example

Scenarios for automated crop production

Der aktuelle technologische Fortschritt in der Landtechnik basiert auf dem zunehmenden Einsatz von Automatisierung. Erste Konzepte und Studien zu hochautomatisierten Systemen werden bereits erprobt und es gibt drei mögliche Ausgangssysteme für zukünftige Entwicklungen in der Landtechnik. Auf der einen Seite stehen der Traktor als universelle Großtechnik, aber auch der Selbstfahrer als prozessbezogene Großtechnik. Andererseits bietet der Roboter als Kleintechnik basierend auf neuen Technologien eine weitere Ausgangsbasis für zukünftige Entwicklungen. Für alle Maschinentypen gibt es viele Vor- und Nachteile sowie Initiatoren und Hemmnisse. Entscheidend für die weitere Erhöhung des Automatisierungsgrades ist vor allem die Möglichkeit einer vollständigen Prozessüberwachung und -bewertung. Die Frage, wie zukünftige Pflanzenbausysteme aussehen werden, steht in direktem Zusammenhang mit den technischen Möglichkeiten der Automatisierung und den Anforderungen der Pflanzen. Es werden Entwicklungspfade zur automatisierten Landtechnik betrachtet, die Unterschiede zwischen Kleintechnik und Großtechnik charakterisiert und das Potential für ein Kleintechnikszenario in Verbindung mit neuen Pflanzenbausystemen aufgezeigt.The current technological progress in agricultural engineering is based on the increasing use of automation. First concepts and studies of highly automated systems are already being tested and there are three potential starting platforms for future developments in agricultural engineering. On the one hand, there is the tractor as a universal large-scale technology, but also the self-propelled machine as a process-related large-scale technology. With the development of new technologies, the robot as a small-scale technology also offers a starting platform for future developments. Many advantages and disadvantages can be found for all platforms, as well as initiators and restraints. The crucial factor for further increasing the level of automation is above all the possibility of complete process monitoring and evaluation. The question of what future crop cultivation systems will look like is directly related to the technical possibilities of automation and the requirements of plants. Development paths for automated agricultural engineering will be considered, the differences between small and large-scale technology will be characterised and the potential for a small-scale technology scenario in connection with new crop cultivation systems will be described

Developments in the field of Automation and Robotic Systems – An Overview and Insight into a research project

Entwicklungen aus der Industrie 4.0 halten schon längst ihren Einzug in die Landwirtschaft, von cyber-physischen Systemen bis hin zur Nutzung von KI für komplexe Entscheidungen. Neben der Fortschreibung der evolutionären Entwicklung der Landtechnik ermöglichen diese auch revolutionäre oder disruptive Ansätze durch Robotersysteme. Die Anwendung von KI zum Erreichen der nächsten Stufe der Automation wird zusätzlich durch den Einblick in ein Forschungsprojekt zur computergestützten Prozessoptimierung eines selbstfahrenden Zuckerrübenvollernters auf Grundlage maschinellen Lernens veranschaulicht. Die Ansätze und Lösungen auf diesem Themenfeld sind vielfältig. Daher werden in diesem und in den nächsten Jahrbüchern auch Beispiele vorgestellt.In general, recent developments in the industry sector called Industry 4.0-technologies, such as Cyber-Physical Systems or AI, have already found their way into the field of agriculture. Those technologies have alongside evolutional effects on the used solutions the opportunity to lead to revolutionary or disruptive approaches especially considering robotic systems. The application of AI to reach the next level of automation is additionally illustrated by an insight into a research project for computer-aided process optimization of a self-propelled sugar beet harvester based on machine learning. The approaches and solutions in this field are diverse. For this reason, examples are presented in this and the next yearbooks

Modellierung des Spritzfächers einer Pflanzenschutzdüse mit der Diskrete-Elemente-Methode

Die Prüfverfahren von Applikationstechnik für Pflanzenschutzmittel sind aufgrund der meist erforderlichen Praxisversuche sehr aufwendig. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Simulationsmethoden wünschenswert. Ein Gesamtmodell zur Abbildung einer Pflanzenschutzdüse und des zugehörigen Spritzfächers konnte bisher nicht entwickelt werden. Jedoch existieren für einzelne Teilprozesse zur Simulation der Abdrift in der CFD (Computational Fluid Dynamics) bereits Modelle, die aber oft nicht vollständig validiert sind. Für ein Gesamtmodell eignet sich die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) u. a. aufgrund der Analogie zwischen Tropfen und den simulierten Partikeln sowie der einfachen Kontakterkennung bei der Benetzung. Die Abbildung des Sprühkegels mit der DEM stellt die erste Herausforderung dar, ein Ansatz hierfür wird im vorliegenden Beitrag vorgestellt. Auf Messdaten basierend wird in der Simulation ein Tropfenspektrum 100 mm unterhalb der Düse erzeugt und zur Validierung das Spektrum sowie die Querverteilung 500 mm unterhalb der Düse gemessen. Das Tropfenspektrum zeigt eine hohe Übereinstimmung, während bei der Querverteilung leichte Abweichungen zur Messung vorliegen

Spot farming – an alternative for future plant production

Das Ziel der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft ist die Steigerung der weltweiten Nahrungsmittelproduktion bei gleichzeitiger Reduzierung des Inputs sowie der Vermeidung von negativen Umwelteinflüssen. Wachsende Kritik an den derzeitigen Produktionssystemen sowie der demografische Wandel, der mit einem zunehmenden Arbeitskräftemangel in den ländlichen Räumen einhergeht, stellen weltweit eine zunehmende Herausforderung für die Landwirtschaft dar. Im Rahmen dieses Problemfeldes bieten die Digitalisierung und auto­nome Maschinensysteme neue Möglichkeiten um die Landwirtschaft an diese Herausforderungen anzupassen. Bisher ist nicht bekannt, welche Veränderungen zur Errei­chung einer nachhaltigen Intensivierung im Gesamt­system Pflanzenproduktion notwendig sind und wie die Landwirtschaft der Zukunft unter Einbeziehung neuer technologischer Möglichkeiten aussehen könnte.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für zukünf­tige Pflanzenbausysteme unter Berücksichtigung der Kulturpflanzenansprüche und des Landschaftskontextes entwickelt. Hierbei werden die Agrarflächen nach unterschiedlichen teilflächenspezifischen Eigenschaften bewertet und darauf aufbauend in unterschiedlichen Spots reorganisiert. Das daraus abgeleitete Konzept des Spot-Farmings basiert auf einer vollständigen Bewirtschaftung mit autonomen Robotiksystemen auf Einzelpflanzenebene. Durch höhere Präzision bei Aussaat, Düngungs- und Pflanzenschutzmaßnahmen können Ressour­cen gespart und Erträge gesteigert werden. Kleine Robotersysteme können zudem einen Beitrag zum Boden­schutz leisten. Das Spot-Farming-Konzept berücksichtigt darüber hinaus die natürlichen Landschafts­eigenschaften, um gesellschaftlich erwünschte Neben­aspekte, wie vielfältigere Kulturlandschaften, mehr Biodiversität und Struktur in der Landschaft, zu berücksichtigen.Die Bewertung des Konzepts nach pflanzenbaulichen, technischen und ökonomischen Aspekten zeigt, dass die Kombination von modernen Technologien und einer Reorga­nisierung der Kulturlandschaften zum Ziel der nachhaltigen Intensivierung beitragen kann.Sustainable intensification is described as the desirable goal for agricultural production to increase agricultural productivity while using less input and without adverse environmental impacts. Increasing criticism on current agricultural production systems as well as demographic changes related with labour shortages in rural areas pose major challenges to agriculture all over the world. In this context, digitalization and autonomous machinery provide new opportunities to adapt agriculture to future demands. However, it is unknown what changes are necessary for a sustainable intensification of cropping systems and how future agriculture could look like under consideration of new technologies.Here we developed a concept for future cropping systems with focus on the requirements of crops and landscapes. In this concept, the agricultural area is classified into individual spots according to their site-specific characteristics. The resulting spot farming approach is completely managed by an autonomous robot system on the level of individual plants. High precision sowing, fertilization and pesticide application could reduce agronomic input and could increase yields. In addition, small robots contribute to soil protection. Furthermore, the spot farming approach considers landscape properties and has the potential for a higher biodiversity and more structural ele­ments as well as an increased social acceptance.The evaluation of the concept according to agronomical, technical and economic aspects showed that the combination of modern technologies and a reorganisation of agricultural landscapes could contribute to the goal of sustainable intensification