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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachweis eines in eine Erntemaschine
eingedrungenen Fremdkörpers, mit:
einem Schwingungsaufnehmer,
der einer Förderwalze mit einem gegenüber einer
Achse drehbaren Walzenmantel zugeordnet ist,
und einer mit
dem Schwingungsaufnehmer verbundenen Auswertungseinrichtung, die
eingerichtet ist, ein Signal abzugeben, wenn die Signale des Schwingungsaufnehmers
auf einen gegen die Förderwalze prallenden Fremdkörper
hinweisen.
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Stand der Technik
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Bei
landwirtschaftlichen Erntemaschinen besteht die Gefahr, dass störende
Fremdkörper aufgenommen werden. Dies gilt insbesondere,
wenn Erntegut direkt vom Boden aufgenommen wird, beispielsweise
wenn ein Schwad mittels einer Pickup aufgenommen wird oder ein Schneidwerk
bei geringer Schnitthöhe über den Boden geführt
wird. Um Schäden an der Erntemaschine zu vermeiden, sind Nachweiseinrichtungen
für derartige Fremdkörper bekannt, die ferromagnetische
Eigenschaften der Fremdkörper erkennen (vgl.
EP 0 702 248 A2 ), aber für
nicht ferromagnetische Fremdkörper unempfindlich sind.
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Die
US 4 353 199 A zeigt
einen Steindetektor mit einem Piezo-Schwingungsaufnehmer, der an
der Innenwand einer Förderwalze angebracht ist. Da sich die
Förderwalze dreht, sind aufwändige Maßnahmen zur
Signalübertragung vom rotierenden Schwingungsaufnehmer
zur stationären Auswertungselektronik erforderlich, die
in der dargestellten Ausführungsform mit einem Spulenpaar
realisiert werden, von dem eine Spule mit der Förderwalze
rotiert und eine stationär ist.
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Außerdem
wurde vorgeschlagen, innerhalb einer unteren, vorderen Vorpresswalze
eines Feldhäckslers ein Mikrofon anzubringen, das mit einer Nachweiseinrichtung
verbunden ist, die beim Aufprall eines Steins oder anderen Fremdkörpers
an die Vorpresswalze entstehende, vom Mikrofon aufgenommene Geräusche
erkennt und ggf. einen Schnellstopp der Vorpresswalzen auslöst
(
US 5 092 818 A ). Das
Mikrofon umfasst eine sich in axialer Richtung der Drehachse der
Vorpresswalze und horizontal oder vertikal erstreckende Membran
auf und ist demnach ausschließlich in radialer Richtung
zur Drehachse der Vorpresswalze empfindlich. Deshalb nimmt das Mikrofon
auch eine Vielzahl anderer Geräusche auf, beispielsweise
Motorgeräusche, durch den Fluss des Ernteguts bedingte
Geräusche und Geräusche, welche durch die Bewegung
der durch Federn nach unten vorgespannten, oberen Vorpresswalze
bei variierenden Erntegutdurchsätzen entstehen. Es ergibt
sich somit ein relativ schlechter Signal-Geräuschabstand
des Mikrofonsignals, sodass die Erfolgsaussichten für eine
zuverlässige Erkennung von Steinen und anderen Fremdkörpern schlecht
sind.
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Aufgabe
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird darin gesehen, eine
gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbesserte
Einrichtung zum akustischen Nachweis von Fremdkörpern in
einer Erntemaschine bereitzustellen.
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Lösung
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Lehre des
Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen
Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter
Weise weiterentwickeln.
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Eine
Einrichtung zum Nachweis von eventuell in eine Erntemaschine eingedrungenen
Fremdkörpern umfasst einen Schwingungsaufnehmer und eine
damit verbundene Auswertungseinrichtung. Der Schwingungsaufnehmer
ist schwingungsleitend mit einer Achse verbunden, gegenüber
der ein Walzenmantel einer (angetriebenen oder frei mitlaufenden) Förderwalze
drehbar gelagert ist. Der Schwingungsaufnehmer ist in Richtung der
Drehachse der Förderwalze sensitiv, d. h. er detektiert
Vibrationen und Schwingungen, die in axialer Richtung der Förderwalze
fortschreiten. Durch die schwingungsleitende Verbindung zwischen
der Achse und dem Schwingungsaufnehmer erreicht man, dass von einem
auf die Förderwalze prallenden Fremdkörper angeregte Schwingungen über
die Lagerung der Förderwalze auf die Achse und von dort
auf den Schwingungsaufnehmer übertragen werden. Hier wird
demnach ausgenutzt, dass sich Schwingungen in Bauteilen ab einem
gewissen Durchmesser-Längen-Verhältnis eines sie übertragenden
Mediums (hier: der Walzenmantel und die Achse) eher als Longitudinalwellen denn
als Transversalwellen ausbreiten. Diese Longitudinalwellen werden
durch den Schwingungsaufnehmer erfasst. Die Empfindlichkeitscharakteristik des
Schwingungsaufnehmers kann derart aussehen, dass er ausschließlich
oder zumindest vorwiegend in Richtung der Drehachse der Förderwalze
empfindlich ist. Die Auswertungseinrichtung gibt ein Warnsignal
ab, wenn die Signale des Schwingungsaufnehmers auf einen gegen die
Förderwalze prallenden Fremdkörper hinweisen.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt demnach die in axialer Richtung der
Drehachse der Förderwalze fortschreitenden Schwingungen
zum Nachweis eventueller Fremdkörper. Diese Schwingungen
haben einen weit besseren Signal-Rausch-Abstand als die im Stand
der Technik (
US 5 092
818 A ) nachgewiesenen, sich in radialer Richtung zur Achse
der Förderwalze ausbreitenden Schwingungen, sodass eine
sicherere Erkennung auch von nicht-ferromagnetischen Fremdkörpern
ermöglicht wird.
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Der
Schwingungsaufnehmer kann innerhalb der Förderwalze an
deren Achse oder an einem Lagerbock befestigt sein, an dem die Förderwalze
abgestützt ist, oder in dessen Peripherie.
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Die
vorliegende Erfindung eignet sich für beliebige Erntemaschinen,
bei denen aufgenommenes Erntegut mittels einer Förderwalze
transportiert wird. Beispiele sind Feldhäcksler, Ballenpressen
und Mähdrescher. Der Signalausgang der Auswertungseinrichtung
ist vorzugsweise mit einer Schnellstoppeinrichtung zum Anhalten
eines Einzugsförderers der Erntemaschine verbunden, so
dass im Fall eines nachgewiesenen, eingedrungenen Fremdkörpers Schäden
an der Erntemaschine durch rechtzeitiges Anhalten des Einzugsförderers
vermieden werden können. Auch wird vermieden, dass das
von der Erntemaschine abgegebene Erntegut durch den Fremdkörper
verunreinigt wird.
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Ausführungsbeispiel
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In
den Zeichnungen ist ein nachfolgend näher beschriebenes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
Erntemaschine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung
in Seitenansicht und in schematischer Darstellung,
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2 eine
Explosionsdarstellung einer Förderwalze und eines Schwingungsaufnehmers,
und
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Fig.
eine schematische Draufsicht auf die Förderwalze, den Schwingungsaufnehmer
und eine Auswertungseinrichtung.
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Eine
in 1 gezeigte Erntemaschine 10 in der Art
eines selbstfahrenden Feldhäckslers baut sich auf einem
Rahmen 12 auf, der von vorderen und rückwärtigen
Rädern 14 und 16 getragen wird. Die Bedienung
der Erntemaschine 10 erfolgt von einer Fahrerkabine 18 aus,
von der aus eine Erntegutaufnahmevorrichtung 20 in Form
einer Pickup einsehbar ist. Mittels der Erntegutaufnahmevorrichtung 20 vom Boden
aufgenommenes Gut, z. B. Gras oder dergleichen, wird einer mit Häckselmessern 48 besetzten Häckseltrommel 22 zugeführt,
die es in kleine Stücke häckselt und es einer
Fördervorrichtung 24 aufgibt. Das Gut verlässt
die Erntemaschine 10 zu einem nebenher fahrenden Anhänger über
einen drehbaren Austragsschacht 26. Zwischen der Häckseltrommel 22 und
der Fördervorrichtung 24 befindet sich eine Nachzerkleinerungsvorrichtung 28,
durch die das zu fördernde Gut der Fördervorrichtung 24 tangential zugeführt
wird.
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Zwischen
der Erntegutaufnahmevorrichtung 20 und der Häckseltrommel 22 wird
das Gut durch einen Einzugsförderer mit unteren Förderwalzen 30, 32 und
oberen Förderwalzen 34, 36 transportiert,
die innerhalb eines Einzugsgehäuses 50 angebracht sind.
Die Förderwalzen 30 bis 36 werden auch
als Vorpresswalzen bezeichnet, da die oberen Förderwalzen 34, 36 durch
Federkraft gegen die unteren Förderwalzen 30, 32 vorgespannt
sind, damit das Erntegut zwischen den Förderwalzen 30 bis 36 vorverdichtet
wird und besser geschnitten werden kann. Die über den Umfang
der Häckseltrommel 22 verteilten Häckselmesser 48 wirken
mit einer Gegenschneide 38 zusammen, um das Gut zu häckseln.
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Die 2 zeigt
eine Explosionsdarstellung der vorderen, unteren Förderwalze 30.
Sie umfasst einen Walzenmantel 40 mit kreisförmigem
Querschnitt, um dessen Umfang sich axial erstreckende Mitnehmer 42 verteilt
sind. An den Stirnseiten ist der Walzenmantel 40 mit radialen
Stützscheiben 44 versehen. Die in der 2 rechts
eingezeichnete Stützscheibe 44 ist in ihrer Mitte
durch Schrauben mit einem kreisförmigen Flansch 46 verbindbar.
Der Flansch 46 ist starr mit einer mittigen Welle 54 verbunden,
die somit drehfest mit dem zugehörigen Walzenmantel 40 gekoppelt
ist. Die Welle 54 ist ihrerseits in einem rechten Lagerbock 56 drehbar
abgestützt, der wiederum am Rahmen 12 befestigt
ist. Die Welle 54 (und somit die Förderwalze 30)
ist an ihrer profilierten Stirnseite außerhalb des Lagerbocks 56 über einen
geeigneten Antrieb (nicht gezeigt) in Drehung versetzbar. Ein in
der 2 links eingezeichneter Flansch 52 ist
mit der ihm benachbarten Stützscheibe 44 (nicht
sichtbar) verschraubt und mit einer mittigen, drehbaren Lagerung 88 versehen.
Eine im Innenraum des Walzenmantels 40 angeordnete Achse 58 erstreckt
sich durch die Lagerung des Flanschs 52 und durch einen
linken Lagerbock 56. Die Achse 58 dreht sich nicht
mit der Förderwalze 30 mit. Die Achse 58 ist
an ihrem rechten Ende in einer weiteren Lagerung 60 gegenüber
der Welle 54 und dem Flansch 46 drehbar abgestützt.
In der Achse 58 ist am linken Ende eine axiale Bohrung
vorgesehen, die in einen Schlitz 62 ausläuft,
um ein Kabel 64 durch die Achse 58 in das Innere
des Walzenmantels 40 zu führen.
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Etwa
mittig auf der Achse 58 ist ein Gehäuse 66 befestigt,
das einen Schwingungsaufnehmer 68 (s. 3)
aufnimmt.
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Die 3 zeigt
den Schwingungsaufnehmer 68 und die zugehörige
Auswertungseinrichtung 70 in einer schematischen Draufsicht.
Der an der Achse 58 befestigte Schwingungsaufnehmer 68 umfasst
eine Masse 74, die an einem als Dickenschwinger realisierten
Piezokristall 76 befestigt ist, der wiederum an einer Halterung 78 befestigt
ist, die ihrerseits an der Achse 58 fixiert ist. Das Kabel 64 ist
an einer Stirnfläche des Piezokristalls 76 fixiert,
während seine andere Stirnfläche über
die Halterung 78 und die Achse 58 mit dem Rahmen 12 verbunden,
d. h. geerdet, wird. Wird die Achse 58 und die schwingungsleitend
damit verbundene Halterung 78 in axialer Richtung der Förderwalze 30 beschleunigt,
wird auch der Piezokristall 76 beschleunigt, während
die Masse 74 aufgrund ihrer Massenträgheit zunächst
stationär bleibt und sich aufgrund der Elastizität
des Piezokristalls 76 erst verzögert in Bewegung
setzt. Die Relativbewegung zwischen der Halterung 78 und
der Masse 74 führt zu einer Dickenänderung
des Piezokristalls 76, die eine Spannung an seinen äußeren
Flächen herbeiführt, welche zwischen dem Kabel 64 und
dem Rahmen 12 anliegt und nachgewiesen wird. In der dargestellten Ausführungsform
erfasst der Schwingungsaufnehmer 68 im Wesentlichen oder
nur die in axialer Richtung der Förderwalze 30 fortschreitenden
Schwingungen, da sich die druckempfindliche Achse des Piezokristalls 76 und
die Masse in axialer Richtung der Förderwalze 30 erstrecken.
Die sensitive Richtung des Schwingungsaufnehmers 68 erstreckt
sich demnach axial zur Förderwalze 30.
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Die
Schwingungsaufnehmereinheit 68 ist in der 3 nur
schematisch wiedergegeben. Im Konkreten kann ein beliebiger, kommerziell
verfügbarer Schwingungsaufnehmer oder Beschleunigungs- oder
Vibrationssensor Verwendung finden, der beispielsweise mittels eines
Piezokristalls, wie dargestellt, oder kapazitiv oder induktiv arbeitet.
Es sei noch angemerkt, dass die Schwingungsaufnehmereinheit 68 auch
außerhalb der Förderwalze 30 beispielsweise
an einem der Lagerböcke 56 oder einer anderen,
den Lagerungen 60, 88 hinreichend nahe benachbarten
Stelle der Erntemaschine 10 angebracht werden könnte.
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Die
Auswertungseinrichtung
70, die auch in das Gehäuse
66 integriert
werden könnte, umfasst einen Verstärker
80 und
eine Signalkonditionierung, die beispielsweise ein Bandpassfilter
82 und
einen Schwellwertschalter
84 umfassen kann. Der Ausgang
92 des
Schwellwertschalters
84 ist mit einer Steuereinrichtung
86 verbunden,
die bei Abgabe eines Haltesignals durch den Schwellwertschalter
84 den
Antrieb der Förderwalzen
30 bis
36 mit einer
sehr kleinen Zeitverzögerung anhält. Dies kann
durch eine Sperrklinke erfolgen, die zur mechanischen Arretierung
des Antriebs der Förderwalzen
30 bis
36 dient, oder
durch Unterbinden bzw. Umkehren der Flussrichtung des hydraulischen
Flusses durch einen die Förderwalzen
30 bis
36 antreibenden
Hydromotor, wie in der
DE
10 2008 040 357 A1 beschrieben, deren Offenbarung durch
Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen wird.
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Anstelle
des Bandpassfilters 82 und des Schwellwertschalters 84 kann
eine beliebige andere Signalkonditionierung verwendet werden, die
im Zeitbereich (beispielsweise mittels eines Bandpassfilters) oder
Frequenzbereich (beispielsweise mittels einer schnellen Fouriertransformation,
FFT) und rein analog oder (nach Digitalisierung) rein digital arbeiten
kann.
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Die
Funktionsweise der dargestellten Einrichtung zum Nachweis von eventuell
in die Erntemaschine 10 eingedrungenen Fremdkörpern
beruht darauf, dass ggf. gegen die Förderwalze 30 prallende Steine
oder andere Fremdkörper beim Aufprall mechanische Vibrationen
erzeugen, die sich über den Walzenmantel 40, die
Stützscheiben 44, die Flansche 46 bzw. 52,
die Lagerungen 60 und 88, die Achse 58 und
das Gehäuse 66 bis zur Halterung 78 ausbreiten.
Die Vibrationen werden durch den Schwingungsaufnehmer 68 aufgenommen
und durch den Verstärker 80 verstärkt.
Durch das Bandpassfilter 82 werden im Wesentlichen nur
Frequenzen durchgelassen, die bei aufprallenden Fremdkörpern
auftreten. Der Schwellwertschalter 84, der eine durch den Bediener über
eine Anzeige- und Eingabeeinrichtung 90 verstellbare Empfindlichkeit
haben kann, spricht an, wenn ein Fremdkörper nachgewiesen
wurde und gibt dann ein Haltesignal an die Steuereinrichtung 86 und
eine Information an den Bediener über die Anzeige- und
Eingabeeinrichtung 90. Die axiale Nachweisrichtung des
Schwingungsaufnehmers 68 hat eine bessere Diskriminationsfähigkeit
als die im Stand der Technik bekannte, radiale Nachweisrichtung
zur Folge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0702248
A2 [0002]
- - US 4353199 A [0003]
- - US 5092818 A [0004, 0008]
- - DE 102008040357 A1 [0021]