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. 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. Das hat zwei Vorteile:

  1. Der Dünger ist witterungsunabhängig für die wachsenden Wurzeln gut zugänglich.
  2. Die biologische Umwandlung in die verlustgefährdeten Stickstoffverbindungen Nitrat, Ammoniak und Lachgas wird erheblich reduziert.

Eines der größten Hemmnisse bei der Einführung der verlustarmen Depotdüngung - vor allem bei der Ausbringung in ausreichende Tiefen - ist der hohe Zugkraft- und Energiebedarf.

Am Campus Triesdorf der HSWT wurde ein Messrahmen konstruiert, mit dem die räumlich aufgelöste Erfassung der am Schar wirkenden Kräfte möglich ist. Gemeinsam mit den Landwirtschaftlichen Lehranstalten wurde ein Acker für die Feldversuche ausgewählt. Nach verschiedenen Berechnungen und der Erstellung eines Modells wurde eine Konstruktion des Kraftmessrahmens entwickelt, der durch weitere Prüfungen optimiert wurde.

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 die Gelenke eingesetzt, welche die Längskraft der Stützen erfassen. Der Kraftmessrahmen ist so ausgelegt, dass die Bolzenverbindungen 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 Firma Frank konnte der Aufbau des Kraftmessrahmens abgeschlossen werden Nach diversen Prüfungen ist der Kraftmessrahmen einsatzbereit. Erste Feldversuche mit Demonstrationswerkzeugen fanden planmäßig im April 2018 statt. Die dabei gewonnenen Ereignisse haben zu der Erkenntnis geführt, dass noch einige Verbesserungen am Kraftmessrahmen vorzunehmen sind. Weitere Testfahrten konnten über die Sommermonate nicht stattfinden, da wesentliche Teile des Zugkraftmessrahmens bei der Handhabung verbogen wurden. Ab August 2018 wurde das Gestell repariert und die Erfahrungen der ersten Testfahrt in die optimierte Konstruktion miteinbezogen. Um das Abstellen des Rahmens zu erleichtern, wurden Stützfüße angebracht. Eine Steinschlagsicherung soll verhindern, dass bei zu hoher Kraftaufnahme Teile verbogen oder abgerissen werden. Im November 2018 konnte witterungsbedingt an einem Tag eine Reihe von weiteren Testfahrten mit Prismenscharen als Demonstrationswerkzeug erfolgen. Bei dieser Testfahrt mit zwei identischen Werkzeugen lagen die Abweichungen der Mittelwerte im Bereich von 5 %. Die Streuungen waren nahezu übereinstimmend.

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Abbildung 1: Versuchsfahrt mit Prismenscharen (KUHN-Striger kombiniert mit RAUCH-Geometrie)

Anfang März 2019 konnten die Versuchsfahrten nach einem trockenen Winter wiederaufgenommen werden. An die Messboxen wurde der Striger von „KUHN“ und das Injektionsschar der Firma „RAUCH“ angebaut.
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Abb. 2: Vergleich des Zugkraftbedarfs gewellte KUHN-Scheibe mit glatter RAUCH-Scheibe bei 4 km/h

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Abb. 3: Häufigkeitsverteilung des Kraftaufwandes der gewellten und glatten Scheiben bei 4 km/h

Zur Verfügung stand ein abgeernteter Rübenacker mit einer Bodenfeuchte von circa 86 % Trockensubstanzgehalt. Gearbeitet wurde in 17-18 cm Bodentiefe mit unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeiten von 4-10 km/h. Im Vergleich zum Bodenbearbeitungsgerät der Firma KUHN benötigte das Injektionsschar von RAUCH annähernd die Hälfte der Zugkraft.
Bis Ende April 2019 fanden Testfahrten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen von einzelnen Bauteilen der Anbaugeräte statt.
Beispielsweise erforderte die gewellte Scheibe des KUHN Striger, unabhängig von der Geschwindigkeit (4 km/h, 6 km/h, 8 km/h), mehr als doppelt so viel Kraft wie die glatte Scheibe von RAUCH.

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Abb. 4: Vergleich des Zugkraftbedarfs gewellte KUHN-Scheibe mit glatter RAUCH-Scheibe bei 8 km/h

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Abb. 5: Häufigkeitsverteilung des Kraftaufwandes der gewellten und glatten Scheiben bei 8 km/h

Im Juni 2019 fanden weitere Versuchsfahrten mit Prismenscharen statt. Als Versuchsfläche wurde ein abgeernteter Stoppelacker mit einer Bodenfeuchte von circa 92 % Trockensubstanzgehalt zur Verfügung gestellt. Die Arbeitstiefe blieb weiterhin bei ungefähr 17 cm. Es wurden die Geschwindigkeiten 5 km/h, 7,5 km/h und 10 km/h getestet. Mit einer verstärkten Konstruktion wurden erneut Prismenschare getestet, wobei zuerst wieder mit zwei identischen Varianten begonnen wurde, danach mit unterschiedlich beschichteten Werkzeugen. Die Beschichtungen, die den Reibungskoeffizienten und somit auch den Zugkraftbedarf verringern sollen, wurden von dem Kooperationspartner „Fraunhofer Institut für Werkmechanik-IWM“ entwickelt. Es wurde in den Feldversuchen daraufhin mit verschiedenen DLC (engl. diamond-like carbon) Varianten gearbeitet. Optisch waren die Schichten schon nach kurzer Strecke beschädigt. Eine Verringerung des Kraftaufwands konnte dennoch festgestellt werden.

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Abb. 6: Ursprüngliche Konstruktion mit Prismenscharen

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Abb. 7: Verstärkte Konstruktion mit Prismenscharen

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Abb. 8: Häufigkeitsverteilung des Kraftaufwandes mit zwei identischen Prismenscharen bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 7,5 km/h

Die nächsten Versuchsfahrten finden mit zwei identischen Injektionsscharen der Firma RAUCH statt. Auch hierbei soll der Kraftaufwand von beschichteten und unbeschichteten Bauteilen praxisnah verglichen werden.

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Abb. 9: Beschichtetes Prismenschar nach 50 m

Bodeneigenschaften der Versuchsfläche

Die festgelegte Versuchsfläche wurde Ende Mai 2018 mit einem entsprechenden Gerät für die Erfassung im GIS befahren und ein Datensatz angelegt. Die Bodenbeprobung ist abgeschlossen und von der Friedrich Alexander Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg am Institut für Geographie ausgewertet. Mit einem SediGraph (Röntgenbeugung) wurde die Korngrößenverteilung beziehungsweise die Bodenart ermittelt und in Grob-, Mittel- und Feinfraktionen aufgeschlüsselt. Der Testacker weißt größtenteils homogene Bodeneigenschaften auf. Er besteht aus einem hohen Sandanteil von ca. 70 %.
Im Juni 2019 wurde die Testfläche mit dem „Veris Quad 2800“ befahren und die elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Die Zugkräfte sind abhängig von Randbedingungen wie der Bodenfeuchtigkeit, dem Bearbeitungszustand und der Vorverdichtung des Bodens. Diese Parameter werden bei jeder Versuchsreihe separat betrachtet.