UNIVERSITÄT HOHENHEIM
Institut für Landwirtschaftliche Betriebslehre (410 B)
Analyse, Planung und Organisation der landwirtschaftlichen Produktion

Prof. Dr. Dr. h.c. Jürgen Zeddies

Universität Hohenheim, (410 B), D-70593 Stuttgart

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Hohenheim, den 01.04.2000


Abschlußbericht zu dem F.- und E.- Projekt

"Direktsaat von Zwischenfrüchten
in Verbindung mit dem Mähdrusch"

AZ: 05564

Gliederung
A Einleitung
  1.1 Ziel des Vorhabens
  1.2 Zeitliche Abfolge der Projektschritte
 
B Lastenheft und Entwicklung
  1. Technische Grundlagen für das Experimentalmuster I
  1.1 Entwicklung des MD-Direktsaat-Scharaggregates
  1.2 Ermittlung des Leistungsbedarfs für Normal- und Zugkraft
  2. Experimentalmuster II
  3. Funktionsmuster I
  3.1 Scharaggregat und Saatleitungsrohre
  3.2 Anbau des MD-Direktsaataggregates an den Mähdrescher
  4. Weiterentwicklung zur Vorserienreife
  5. Zusammenfassung
 
C Acker- und pflanzenbauliche Feldversuche
  1. Direkter Verfahrensvergleich im 3-jährigen Feldversuch
  1.1 Versuchsstandorte
  1.2 Bestandsentwicklung der Zwischenfrucht
  1.3 Entwicklung der Nmin-Werte (0-90 cm Tiefe)
  1.4 N-Bilanz-Einfluss des Bestellverfahrens
  1.5 TM-Erträge und N-Aufnahme der Zwischenfrüchte
  1.6 Bodenwassergehalt
  1.7 Pflanzenbau-Management im Zwischenfruchtanbau
  1.8 Entwicklung des Ausfallgetreides
  2. Pflanzenbaumanagement beim MD-Direktsaatverfahren
  2.1 Einfluss der Gülle-Düngung auf die Nmin-Werte in Abhängigkeit von der Zwischenfrucht
  2.2 Auswirkungen der Gülle-Düngung auf die N-Bilanz
  2.3 Einfluss der Saatstärke auf die N-Bilanz
  2.4 Begründung der Stilllegungsflächen
  3. Ökonomische Verfahrensbewertung
  4. Positionierung des Verfahrens
  5. Anhang

A. Einleitung

1.1 Ziel des Vorhabens

Ziel dieses F.- und E.- Projektes war die Neuentwicklung eines Verfahrens zur Kombination der Zwischenfrucht-Bestellung mit der Getreideernte. In dem Freiraum zwischen Schneidwerk und Vorderachse des Mähdreschers wurde ein neuentwickeltes Direktsaat-Aggregat integriert. Das Zwischenfrucht-Saatgut wird hier in einen in der Regel noch gut gekrümelten und noch feuchten Boden gedrillt -- und kann anschließend mit einer schützenden Schicht aus Häcksel-Stroh bedeckt werden.


Bild 1: Vorserie des MD-Direktsaataggregates 2000

Unter der Federführung der Firma Güttler wurde 1997 ein Experimentalmuster eines MD-Direktsaataggregates erstellt. Aufbauend auf den Erfahrungen und Erkenntnissen der breitgefassten Feldeinsätze auf verschiedenen Standorten wurde weiterführend das technische Lastenheft aktualisiert und ein Funktionsmuster II zur Ernte ´98 fertiggestellt. Grundlegend wurden technische Fragen der Werkzeuggestaltung und -abmessung, der Gerätekonfiguration und - kinematik untersucht sowie der daraus resultierende erforderliche Bedarf für die Zugleistung des MD-Direktsaataggregates ermittelt.

1999 wurde parallel zur Weiterentwicklung des Experimentalmusters II ein zweites, 6,0 m MD-Direktsaataggregat mit modifizierter Drilltechnik durch die Fa. Güttler entwickelt und gebaut.

Für die Ernte 2000 stand ein funktionssicheres und technisch weitgehend ausgereiftes Vorserien-Aggregat zur Verfügung, mit entscheidenden Vorteilen in Handling und Einsatzflexibilität. Hier konnten ergänzend die wichtigsten verfahrensspezifischen Parameter ermittelt werden, um mögliche Auswirkungen auf die Mähdrescherleistung, die Kostenstruktur des Verfahrens und die acker- und pflanzenbauliche Einordnung für verschiedene Betriebe möglichst genau abschätzen zu können.

Die acker- und pflanzenbaulichen Ergebnisse aus den jeweiligen Versuchsjahren wurden bei der Überarbeitung der detaillierten Fragestellungen, der Vorbereitung und der Anlage der Feldversuche in den Folgejahren 1998 bis 2000 entsprechend berücksichtigt.

In umfangreichen Feldversuchen wurden Fragen zu Keim- und Auflaufverhalten, Jugendentwicklung, TM-Ertrag und N-Aufnahme der Zwischenfrüchte, Nmin-Entwicklung, Bodenwassergehalte in Abhängigkeit von Standort, Zwischenfruchtart, Düngung (Gülle) und Fruchtfolge untersucht. Insgesamt wurden über 4 Vegetationsjahre ca. 578 ha Versuchsflächen angelegt, wissenschaftlich betreut und ausgewertet.

1.2 Zeitliche Abfolge der Projektschritte

Das F.- und E.-Projekt wurde am 1. Mai 1997 begonnen und mit der Auswertung der Feldversuche 2000 abgeschlossen.

1. Projektjahr (Beginn Mai 1997)

  • Erstellen des Lastenheftes.
  • Entwicklung des Experimentalmuster I des Scharaggregates.
  • Installierung eines computerunterstützten Messwerterfassungsystems-Durchführung von Zugkraft- und Normalkraftmessungen.
  • Entwicklung und Fertigung des MD-Direktsaataggregates und Adaption an einen marktgängigen Mähdrescher (Experimentalmuster II).
  • Praktische Feldversuche zur Prüfung der Funktionssicherheit - erste Ernteeinsätze.
  • Anlage von Feldversuchen für Zwischenfrüchte - Verfahrensvergleich mit 3 Bestellverfahren, Beprobung und Auswertung.
  • Erster Zwischenbericht.

2. Projektjahr (Beginn Mai 1998)

  • Entwicklung, Fertigung und Montage des Funktionsmuster I mit verbesserten Bauteilen im Schar- und Sätechnikbereich.
  • Durchführung von Zugkraft- und Normalkraftmessungen.
  • Entwicklung und Fertigung eines technisch und funktionell veränderten Schneid-werkswagen.
  • Anlage von Feldversuchen für Zwischenfrüchte - Verfahrensvergleich mit 3 Bestellverfahren - Beprobung und Auswertung.
  • Feldversuche mit Hintergrund Wasserschutzgebiets- und Gülleproblematik.
  • Auswertung der Versuchsergebnisse.

3. Projektjahr (Beginn Mai 1999)

  • Entwicklung, Fertigung und Montage des Funktionsmuster II. Funktions- und Standzeitentests.
  • Anlage von Feldversuchen für Zwischenfrüchte - Verfahrensvergleich mit 3 Bestellverfahren - Beprobung und Auswertung.
  • Feldversuche mit Hintergrund Wasserschutzgebiets- und Gülleproblematik in Süd- und Norddeutschland, Stilllegungsflächen, Zuckerrübenfruchtfolgen, Spätdruschgebiete.
  • Erfassen der wesentlichen verfahrenspezifischen Parameter zur ökonomischen, acker- und pflanzenbaulichen Bewertung des Gesamtverfahrens.
  • Auswertung der Versuchsergebnisse.
  • Begleitende Marketing-Maßnahmen zur Markteinführung.
  • Erstellen des Abschlussberichtes.

B. Lastenheft und technische Entwicklung

1. Technische Grundlagen für das Experimentalmuster I

1.1 Entwicklung des MD-Direktsaat-Scharaggregates


Bild 2: Patent Nr. P197 30 822.8-23 des Scharaggregates der Fa. Güttler.

Die technische Entwicklung des Scharaggregates stützt sich auf das Patent Nr. P197 30 822.8-23 der Fa. Güttler. Dieses Patent betrifft ein Sägerät mit einem Scheibensäschar, das mit einem offenen Anstellwinkel zur Fahrtrichtung und einem offenen vertikalen Kippwinkel angestellt ist.

Das Scheibensäschar wird über ein Tiefenbegrenzungselement (Stützring) geführt und erzeugt eine definierte V-förmige Saatrille. Der lockere Boden wird seitlich neben der Saatrille abgelegt. Hinter dem Scheibensäschar mündet ein Saatleitungsrohr in Bodennähe. Ein Kunststoff-Prismenstern mit ebenfalls offenen Anstell- und Kippwinkeln fördert die Feinerde wieder zurück in die V-förmige Saatrille und bedeckt so das Saatgut.
Bild 3: Computer-Animation des patentierten Scharaggregates

Bild 4: Experimentalmuster I des Scharaggregates

1.2 Ermittlung des Leistungsbedarfs für Normal- und Zugkraft

Eine der Vorgaben aus dem Lastenheft mit sehr hoher Gewichtung war die Minimierung der Zug- und Normalkräfte für das MD-Direktsaat-Scharaggregat bei Fahrgeschwindigkeiten bis 2,5 m/s (ca. 9km/h). Die Funktionsweise des Scharaggregates beruht auf dem Prinzip, ein definiertes V-förmiges Bodenprofil herauszuheben und dadurch eine Saatrille zu erzeugen. Zu Vergleichsmessungen wurde das CX Mulchsaat-Scheibenschar der Fa. Accord eingesetzt. Konventionelle Doppel-Scheibenscharaggregate bilden die Saatrille in der Regel durch eine weitgehend plastische Bodenverdrängung aus, ebenso das nachfolgende Schließen der Saatfurche und die Bedeckung des Saatgutes. Diese Direktsaataggregate wurden aufgrund der bekannt hohen Werte für Zug- und Normalkraft (=Schardruck) nicht weiter berücksichtigt. Das neuentwickelte Scharaggregat (Patent Nr. P197 30 822.8-23 der Fa. Güttler) wurde an der Universität Hohenheim, Institut für Agrartechnik, Prof. Dr.-Ing. Kutzbach, untersucht. Folgende Fragen standen hierbei im Vordergrund:

  1. Erforderlicher Zugkraft- und Normalkraftbedarf
  2. Resultierende Zugleistung und resultierender Schardruck für das Scheibenschar und den Prismenstern bei Mähdruschgeschwindigkeit
  3. Konstante Arbeitstiefe des Scheibenschares
  4. Vergleichsmessung mit einem technisch ausgereiften und praxisüblichen Mulchsaat-Scheibenschar

Die Messeinrichtung beruhte auf einem System, das für die Messung von Scheibenschar-Gülleinjektoren konzipiert war. Über DMS Dehn-Messstreifen wurden Normalkraft und Zugkraft, über Ultraschallsensor die Arbeitstiefe und über ein fünftes Rad die Fahrgeschwindigkeit - jeweils mit einer Abtastrate von 100 Hz - aufgenommen.

Die Messwerte wurden klassiert (100 N) und entsprechend gewichtet.

Resultierend aus den Versuchsergebnissen wurde das Scharaggregat in den Parametern, Bombierung der Scheibe und Tiefenführung über einen Stützring, sowie Anstell- und Kippwinkel fortlaufend weiterentwickelt und optimiert.
Bild 5: Messeinrichtung für die Scharaggregate

Die Ergebnisse sind beispielhaft für je ein Scharaggregat bei Fahrgeschwindigkeit 8 km/h und Saatfurchentiefe 40-45 mm in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Tabelle 1: Zugkraft- und Normalkraftmessung des MD-Direktsaat-Scharaggregates

MD-Direktsaat-Scharaggregat / 8km/h / lockerer Boden / 40-45 mm Saatfurchentiefe
Zugkraft klassiert [%] Mittelwert 226 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
20,6 23,0 24,1 19,1 9,7 3,5
Normalkraft klassiert [%] Mittelwert 217 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
28,3 19,3 17,3 14,1 9,3 11,7

Tabelle 2: Zugkraft- und Normalkraftmessung des CX Mulchsaat-Scheibenschares

CX Mulchsaat-Scheibenschar / 8km/h / lockerer Boden / 40-45 mm Saatfurchentiefe
Zugkraft klassiert [%] Mittelwert 280 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
10,5 14,6 26,5 28,9 16,1 3,3
Normalkraft klassiert [%] Mittelwert 364 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
9,7 9,8 17,0 20,8 17,0 14,8

Die aus dem Lastenheft geforderte Leichtzügigkeit für das neuentwickelte MD-Direktsaat-Scharaggregat ist somit gegeben.

Die Bodenverhältnisse (Bodenart, -struktur und -feuchte, Garezustand) sind in einem weiten Spektrum standortabhängig und weisen zudem einen erheblichen Jahreseffekt auf; sie können sich entsprechend auf Zug- und Normalkraft auswirken. Bei extrem trockenem oder verdichtetem Boden wurden bei dem MD-Direktsaat-Scharaggregat um 27% höhere Werte für Zug- und um 57% höhere Werte für Normalkraft gemessen, siehe Tabelle 3, und sind direkt mit den Messwerten des Mulchsaat-Scheibenschares auf lockerem Boden zu vergleichen.

Tabelle 3: Zugkraft- und Normalkraftmessung des MD-Direktsaat-Scharaggregates

MD-Direktsaat-Scharaggregat / 8km/h / fester Boden / 35-40 mm Saatfurchentiefe
Zugkraft klassiert [%] Mittelwert 280 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
10,8 17,6 28,5 25,1 13,2 4,8
Normalkraft klassiert [%] Mittelwert 341 N
0-100 N 100-200 N 200-300 N 300-400 N 400-500 N Über 500 N
7,4 11,4 18,8 25,1 21,0 16,4

Mit dem Mulchsaat-Scheibenschar konnte die vorgegebene Saatfurchentiefe nicht mehr erreicht werden. Vergleichswerte liegen somit nicht vor.

Tabelle 4: Vergleich der Mittelwerte von Zugkraft- und Normalkraft der Scharaggregate bei 8 km/h und 40-45 mm Saatfurchentiefe

Zugkraft MD-Direktsaat-Scharaggregat Mulchsaat-Scheibenschar
Lockerer Boden 226 N
14% > 400 N		 280 N
20% > 400 N
Fester Boden 280 N
18% > 400 N		 Messung nicht möglich
Normalkraft MD-Direktsaat-Scharaggregat Mulchsaat-Scheibenschar
Lockerer Boden 217 N
21% > 400 N		 364 N
32% > 400 N
Fester Boden 341 N
38% > 400 N		 Messung nicht möglich

Ein Vergleich der gesamten Messergebnisse - Fahrgeschwindigkeiten von 1,5-2,5 m/s und Saatfurchentiefen von 35-45 mm - ergibt folgendes:

  1. Die Funktion des MD-Direktsaat-Scharaggregates mit 35 mm Saatfurchentiefe ist auch bei festem Boden und hohen Fahrgeschwindigkeiten (bis 9 km/h) gegeben.
  2. Die Messwerte des MD-Direktsaat-Scharaggregat auf festem Boden und die Messwerte des Mulchsaat-Scheibenschares - allerdings auf lockerem Boden - bewegen sich auf einem vergleichbaren Niveau.
  3. Der Anteil der Spitzenwerte für Zug- und Normalkraft (>400 N) ist beim MD-Direktsaat-Scharaggregat um ca. 30% geringer, d.h. der Kraftbedarf ist gleichmäßiger. Für die Saatfurchentiefe - die Normalkraft ist weitgehend gleichzusetzen mit dem Schardruck - ergeben sich so annähernd konstante Werte.

    Für den Zugleistungsbedarf ergibt sich dadurch ein Maximalwert von ca. 0,8 kW pro MD-Direktsaat-Scharaggregat - für den Einsatz auf festem Boden, bei 8 km/h. Ein 6,0 m breites MD-Direktsaataggregat benötigt somit ca. 28 kW Zugleistung.

2. Experimentalmuster II

Die Vorgaben aus dem technischen Lastenheft wurden zur Ernte 1997 in ein Experimentalmuster II umgesetzt. Hierzu wurde eine dreiteilige, federbelastete und parallelogramm geführte Scharschiene direkt an dem Mähdrescher-Schneidwerk angebracht. Die MD-Direktsaat-Scharaggregate wurden zur optimalen Bodenanpassung einzeln federbelastet ausgeführt. Für den Straßentransport verblieb die komplette Drilleinheit am Mähdrescher-Schneidwerk.


Bild 6: Experimentalmuster II in Transportstellung, September 1997

Die pneumatische Drilltechnik bestand aus zwei verschiedenen Dosier- und Fördersystemen der Fa. Krummenacher, mit elektrischem Antrieb der einzelnen Fördergebläse:

  1. Zentrale Dosiereinheit, pneumatische Förderung, Prallkopfverteiler-Funktionsprinzip: Accord

  2. Mehrzellen-Dosierwalze, pneumatische Förderung-Funktionsprinzip: mechanisch dosieren, pneumatisch fördern.

Über Unterverteiler mit 3 Ausgängen erfolgte eine weitere Aufteilung des Saatgutstromes vor den einzelnen Saatleitungsrohren.

Der Einsatz dieser beiden Drilltechnik-Varianten diente in erster Linie zur schnellen und umfassenden Klärung der technischen Ansprüche an die Dosier- und Verteilgenauigkeit bei der Aussaat von Zwischenfrüchten.
Bild 7 : Experimentalmuster II mit Krummenacher Drilltechnik, September 1997

3. Funktionsmuster I

Zur Ernte '98 wurde aufgrund der Einsatzerfahrungen aus 1997 und den resultierenden, überarbeiteten Vorgaben des Lastenheftes ein Funktionsmuster I entwickelt und gefertigt. Schwerpunktmäßig wurden hierbei die Punkte Funktionssicherheit, Handling und Flexibilität des Geräteeinsatzes in technische Lösungen umgesetzt.

3.1 Scharaggregat und Saatleitungsrohre

  1. Verstopfungsfreiheit ist auch unter extremen Bedingungen gewährleistet:
    Die Baubreite der Scharaggregate wurde auf ca. 15 cm verringert. Durch den deutlich vergrößerten Freiraum kann hochgefördertes Erd- und Pflanzenmaterial (Ernterückstände, Altverunkrautung) wieder nach unten fallen. Verstopfungen werden weitestgehend ausgeschlossen.

  2. Der Erdanhang an dem Scharaggregat ist möglichst gering, eine Selbstreinigung ist gewährleistet:
    Für den Stützring der konisch gewölbten Stahlscheibe und für den Prismenstern wurde eine neue Kunststoffmischung eingesetzt, die hydrophobe Eigenschaften besitzt. Durch den zusätzlichen Walk-Effekt dieser Bauteile wurde eine sehr hohe Selbstreinigung, auch unter feuchten Bedingungen und bei bindigen Böden, erzielt.

  3. Federbelastung von Scheibenschar und Prismenstern ist einstellbar:
    Die Anpassungsfähigkeit der einzeln federbelasteten Scharaggregate an Bodenunebenheiten wurde verbessert. Gleichzeitig bleibt der eingestellte Schardruck über den vertikalen Bewegungsbereich nahezu konstant.


Bild 8: Scharaggregat - Stützring und Prismenstern aus hydrophobem Kunststoff für bessere Selbstreinigung

Durch die besondere Feder-Kinematik erhöhte sich die Bodenfreiheit bei ausgehobenem Scharaggregat (Wenden am Vorgewende).

3.2 Anbau des MD-Direktsaataggregates an den Mähdrescher

1. Form- und kraftschlüssiger Anbau über Fang-Trapez und Kopplungsrahmen:
Das MD-Direktsaataggregat wurde mit einem Kopplungsrahmen ausgestattet, der von einem auf dem Schrägförderer des Mähdreschers montierten Fang-Trapez aufgenommen und werkzeuglos fixiert wird.

2. Konventionelle Ernteeinsätze (ohne Zwischen-fruchtaussaat) sind einfach möglich:
Die komplette Drilleinheit kann mit einigen Handgriffen in Transportposition abgestellt werden. Zeitbedarf ca. 5 Minuten. Die Original-Anbaupunkte für den Anbau des MD-Schneidwerkes blieben erhalten. Die Einsatz-Flexibilität des Mähdreschers ist weiterhin gegeben.
Bild 9: Kopplungsrahmen und Fang-Trapez ermöglichen einen flexiblen Geräteeinsatz

3. Vereinfachung des Umbaus in Arbeits- und Transportstellung:
Das MD-Direktsaataggregat bleibt beim Straßentransport am Mähdrescher, die Seitenelemente können hierfür um 180o nach vorne geschwenkt werden.
Bild 10: Das MD-Direktsaataggregat verbleibt beim Straßentransport am Mähdrescher - die Sicht des Fahrers wird nicht eingeschränkt

4. Verringerung der Rüstzeiten bei Umbau des MD-Schneidwerkes von Arbeits- in Transportstellung und umgekehrt sowie Vereinfachung des Handlings:
Das MD-Schneidwerk kann über einen auf dem Schneidwerkswagen montierten Zwischenrahmen quer verschoben werden, so dass der Anbau des Schneidwerkes - ohne das bislang störende Fahrwerkrad - einfach möglich ist.


Bild 11: Kopplungspunkte für das Schneidwerk
bleiben erhalten
Bild 12: Parallelogramm geführte Scharschiene -
unabhängig vom MD-Schneidwerk
5. Variable Anpassung an unterschiedliche Schnitthöhen ist gegeben:
Die Scharschiene mit den angebauten Scharaggregaten wird über zwei Parallelogramm-Einheiten angelenkt, so dass bis zu einer Schnitthöhe von 40 cm eine unabhängige Führung des MD-Direktsaataggregates gegeben ist. Die besondere Kinematik der Parallelogramm-Konstruktion ermöglicht zudem eine zusätzliche Gewichtsbelastung der Scharschiene.

4. Weiterentwicklung zur Vorserienreife

Die Funktionsbereiche Scharkinematik und Drilltechnik wurden zur Ernte 1999 weiter optimiert (Funktionsmuster II). Die Verwendung von Stahlgussbauteilen verringerte die Zahl der Einzelbauteile - reduzierter Montageaufwand - und vergrößerte zudem den Freiraum zwischen den einzelnen Scharaggregaten. Dies verbesserte nochmals die Funktionssicherheit gegenüber Verstopfungen bei Lagergetreide und Verunkrautung.

Die Entwicklung eines weiteren MD-Direktsaataggregates mit modifizierter Drilltechnik - vollständige Kostenübernahme durch die Fa. Güttler - erfolgte zur Ernte 1999. Ausgestattet mit der pneumatischen Drilltechnik der Fa. RAUCH - bestehend aus zentralem Saatgutbehälter, hydraulischem Gebläseantrieb mit variabler Luftfördermenge und elektronischer Überwachungseinheit - wurden die Vorgaben des Lastenheftes für diesen Bereich umgesetzt.


Bild 13: Hydraulischer Gebläseantrieb der Drillmaschine


Bild 14: Zentraler Saatgutbehälter mit Prallkopfverteiler

5. Zusammenfassung

In der technischen Entwicklung des Funktionsmuster II bis zur Vorserienreife des MD-Direktsaataggregates wurden die Vorgaben aus dem Lastenheft vollständig um-gesetzt.

Die wichtigsten technischen Besonderheiten im Überblick:

  • leichtzügiges Scheibenschar-Aggregat - Zugleistungsbedarf ca. 0,8 kW/Schar
  • Parallelogramm-Führung der Scharschiene und federbelastete Einzelschare
  • unabhängige Bodenanpassung
  • "Rollende Bauteile" der Scharaggregate ermöglichen problemloses Kurven- und Rückwärtsfahren - uneingeschränkter Mähdrescher - Einsatz möglich
  • Schnellwechselrahmen - für kurze An- und Abbauzeiten
  • ausgereifte pneumatische Drilltechnik mit Zentralbehälter und Exakt-Dosiersystem der Fa. Rauch


Bild 15: Once-Over-Bestellverfahren für Zwischenfrüchte, Vorserienreifes MD-Direktsaataggregat mit 6,0 m Arbeitsbreite

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