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, müssen Verluste reduziert und damit verbundenen Umweltschäden vermindert werden. 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, um einerseits für die wachsenden Wurzeln unabhängig von der Witterung gut zugänglich zu sein und andererseits die biologische Umwandlung in die verlustgefährdeten Stickstoffverbindungen Nitrat, Ammoniak und Lachgas erheblich zu reduzieren. Eines der größten Hemmnisse zur Einführung einer verlustarmen Depotdüngung ist der hohe Zugkraft- und Energiebedarf – bei Ausbringung in einer ausreichenden Tiefe.

An der HSWT am Standort Triesdorf wird ein Messrahmen konstruiert und erstellt, mit welchem die räumlich aufgelöste Erfassung der am Schar wirkenden Kräfte möglich ist. Außerdem werden Feldversuche mit den verschiedenen Multimaterialwerkzeugen und verschiedenen Demonstratorgeometrien erprobt.

 

Zielsetzung

Ziel dieses Vorhabens ist es, neben einer weiteren Reibwertreduktion auch die Standzeit der Applikationswerkzeuge von innovativen Injektionsgeräten für feste oder flüssige Dünger deutlich zu erhöhen. Erreicht werden soll dieses Ziel durch:

1. Aufklärung der Reib- und Verschleißmechanismen – Reibanteilverhältnis Flanken / Spitzen

2. Hartmetall- bzw. Keramikeinsätze für den hochbelasteten Schneidbereich

3. Beschichtung der Einsätze mit kristallinen Diamantschichten

4. DLC- Beschichtungen der Werkzeugflanken

5. Geometrieoptimierung über FEM-Simulation

6. Weiterentwicklung der Applikationswerkzeuge

 

Stand des Projekts

Inzwischen konnte gemeinsam mit den Landwirtschaftlichen Lehranstalten ein Acker für die Feldversuche bestimmt werden. In diesem Jahr werden Bodenproben entnommen und im Labor analysiert. Weiterhin konnte der Kraftmessrahmen aufgebaut werden. Nach einigen Berechnungen und der Erstellung eines Modells konnte eine Konstruktion präsentiert werden. Diese wurde dann geprüft und überarbeitet. 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 erfolgte die Einsetzung von Kraftmessbolzen in den Gelenken, welche die Längskraft der Stützen erfassen.

Durch die Verwendung von Normteilen ist eine wirtschaftliche und schnelle Fertigung möglich. Weiterhin ist ein Zusammenbau aus wenigen Einzelteilen und ausschließlich schraubbaren Komponenten ermöglicht worden. Dadurch konnte die Montage vereinfacht werden. 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. Nach der Erstellung des CAD Modells erfolgte 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 erfolgte der Aufbau des Kraftmessrahmens (vgl. Abbildung 1).

Dann 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 notiert 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.

 

Projektförderung und Projektträger

Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (ptble)
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft