Optimierte Oberflächen zur Verbesserung der Effizienz innovativer Injektionsgeräte für Dünger (EffID) - Teilprojekt 6

Die in der landwirtschaftlichen Praxis am meisten verbreiteten Düngeverfahren für Stickstoff (N) sind durch erhebliche Verluste gekennzeichnet. Um die Ressourceneffizienz in der Stickstoffdüngung deutlich zu verbessern, gilt es, Verluste zu reduzieren und damit verbundenen Umweltschäden zu vermindern. Die platzierte Depotdüngung ist eine Möglichkeit, den Nährstoffverlusten und der Umweltbelastung entgegenzuwirken. Dabei wird der Düngebedarf möglichst als Ammonium oder Harnstoff im Boden in ausreichender Tiefe platziert. Diese Vorgehensweise hat die Vorteile, dass der Dünger einerseits für die wachsenden Wurzeln unabhängig von der Witterung gut zugänglich ist und andererseits die biologische Umwandlung in die verlustgefährdeten Stickstoffverbindungen Nitrat, Ammoniak und Lachgas erheblich reduziert wird. Eines der größten Hemmnisse zur Einführung einer verlustarmen Depotdüngung ist der hohe Zugkraft- und Energiebedarf – bei Ausbringung in ausreichende Tiefe.

An der HSWT am Standort Triesdorf wurde ein Messrahmen konstruiert, mit dem die räumlich aufgelöste Erfassung der am Schar wirkenden Kräfte möglich ist. Außerdem ist geplant Feldversuche mit den verschiedenen Multimaterialwerkzeugen und unterschiedlichen Demonstratorgeometrien durchzuführen.

Bild1
Abbildung 1: 3D Modell des Kraftmessrahmens

Inzwischen konnte gemeinsam mit den Landwirtschaftlichen Lehranstalten ein Acker für die Feldversuche ausgewählt werden. Noch in diesem Jahr werden Bodenproben entnommen und im Labor analysiert. Nach einigen Berechnungen und der Erstellung eines Modells, konnte eine Konstruktion des Kraftmessrahmens präsentiert und schließlich gebaut werden. Durch weitere Prüfung wurde dieser bereits optimiert. Die Auflösung, der durch die Testschar in den Anbaurahmen eingeleiteten Kräfte, erfolgt durch das mechanische Prinzip eines Hexapoden. Dadurch können alle sechs Belastungen (Horizontal- Vertikal und Seitenkraft sowie die drei möglichen Momente um die drei Raumachsen) unabhängig voneinander gemessen werden. Dazu wurden Kraftmessbolzen in den Gelenken eingesetzt, welche die Längskraft der Stützen erfassen.

Durch die Verwendung von Normteilen ist eine wirtschaftliche und schnelle Fertigung möglich. Weiterhin wurde ein Zusammenbau aus wenigen Einzelteilen und ausschließlich schraubbaren Komponenten realisiert, dadurch konnte die Montage deutlich vereinfacht werden. Der Kraftmessrahmen ist so ausgelegt, dass die Bolzenver-bindungen einer Kraft von 20 kN standhalten können. Dies ist für jegliche Anwendung einzelner Geräte in der Landwirtschaft ausreichend. Die Überlastsicherung erfolgt, je nach getestetem Gerät, durch Scherschrauben oder durch eine gefederte Parallelführung der Testobjekte. Dem CAD Modell folgte eine FEM- Simulation, um die Beanspruchungen der Struktur in Form der Vergleichsspannungen abzubilden und mögliche Überlastungen bzw. plastische Verformungen ausschließen zu können. Nach Herstellung und Lieferung der Bauteile im Dezember 2017 durch den Projektpartner Fa. Frank konnte der Aufbau des Kraftmessrahmens abgeschlossen werden (siehe
Abb. 1).

Danach erfolgte die Validierung. Es wurden sechs verschiedene Fälle (je zwei verschiedene Positionen am Kraftmessrahmen, sowie jeweils drei verschiedene Winkel) betrachtet und Belastungen zwischen 200 und 300 kg eingestellt. Die entstehende Last wurde von der Waage und vom Messrechner, der mit dem Kraftmessbolzen über einen Analog-Digitalwandler verbunden ist, angezeigt und aufgezeichnet. Dann erfolgte die Umrechnung der gemessenen Werte auf den Richtungsvektor der Zugrichtung. Ein Vergleich der Werte zeigte eine hohe Übereinstimmung der gemessenen Werte gegenüber den von der Waage angezeigten Werten. Es ergab sich eine Abweichung von < 1 %. Der Kraftmessrahmen ist somit einsatzbereit. Erste Feldversuche mit Demonstrationswerkzeugen fanden plangemäß im April statt.