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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
versión On-line ISSN 2071-0054
Rev Cie Téc Agr vol.30 no.3 San José de las Lajas jul.-set. 2021 Epub 01-Jul-2021
ARTÍCULO ORIGINAL
Diseño de un implemento para retirar acolchados de polietileno en cultivos de fresa
2Universidad Autónoma Chapingo, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias y de Servicio en Ciencia, Naturaleza, Sociedad y Cultura, Texcoco de Mora. Estado de México, México.
En este trabajo el objetivo consiste en diseñar un implemento para recolectar el plástico utilizado en acolchados de fresa, cortándolo a ras de suelo por cada lado de la cama agrícola sobre la cual se siembra la fresa, y lo enrolla en un eje que gira de manera proporcional al avance del tractor, accionado por un sistema de transmisión de potencia de cadena que relaciona el movimiento de los neumáticos del implemento y el enrollado de película plástica. Como resultado se obtiene el diseño de un implemento que trabaja a una velocidad propuesta de 7 km·h-1 y que recolecta el plástico, cortando el suelo de la cama agrícola 10 cm por cada costado, para poder asegurar que corta el plástico del acolchado, tiene un ancho de 1.3 m y una capacidad de carga de 646 kg de plástico que pueden ser mantenidos en el eje de recolección antes de tener que depositarlo en un almacén.
Palabras-clave: películas plásticas; camas agrícolas; transmisión por cadena; ejes
INTRODUCCIÓN
En México la producción de fresas representa una fuente de ingresos importante, sobre todo porque gran parte de la producción nacional se destina a la exportación, contribuyendo a generar empleos alrededor de todos los procesos y actividades desde la preparación de los terrenos hasta la llegada de las frutas a los anaqueles. Esto quiere decir, que en este sector productivo en particular existe un flujo de recursos económicos importante. El cultivo de la fresa se ha incrementado actualmente. Según Ortiz-Cañavate y Puig (1989), en los últimos años se han triplicado las exportaciones nacionales del cultivo, al pasar de 52 mil toneladas en 2003 a 152 mil toneladas para el 2020.
Este cultivo utiliza técnicas y prácticas particulares que son necesarias para permitir el desarrollo adecuado de las frutas, algunas de estas labores pueden ser mecanizadas o manuales dependiendo del nivel tecnológico del cultivo, pudiendo marcarse una gran diferencia entre una forma y la otra, dependiendo del tamaño y volumen de producción, la velocidad a la que se realice una labor puede incidir sobre las fechas marcadas para la producción o representar una ventaja de simplificar la labor, y al final repercutir económicamente en las ganancias finales.
Una de estas técnicas empleadas es el acolchado plástico sobre camas agrícolas, que trae consigo beneficios de protección para las plantas para obtención de una mejor cosecha, que actúan de la siguiente forma:
Sobre las radiaciones, utilizando según necesidades, el color (láminas coloreadas) o la capacidad obtenida por metalización (uso de aluminio o de óxidos de titanio aluminio, etc.).
Sobre la temperatura del suelo y la humedad por debajo de la lámina.
Sobre las plantas por eliminación de malas hierbas si se utiliza lamina negra; el crecimiento de las malas hierbas bajo lamina transparentes es normal si no se utilizan herbicidas.
Sobre las plagas y ciertos microorganismos
Sobre el crecimiento al conseguir que el anhídrido carbónico producido por fermentación del suelo quede en la zona de los estomas de las plántulas en crecimiento (Dubois, 1980).
Estas ventajas son la razón por las que la práctica de acolchados plásticos haya sido adoptada en los últimos años de manera tan amplia, para aplicarse no solo en la fresa sino en diversos cultivos, de forma constante, ciclo tras ciclo productivo.
Pero esta práctica tan beneficiosa para el manejo del cultivo tiene desventajas, una de ellas es generar contaminación al final de la vida útil de los plásticos, a pesar de que lo adecuado es que estos desechos se levanten y se lleven a un lugar donde sean manejados adecuadamente, y tratar de reciclarlos o aprovechar su valorización energética, lo que en México aún no existe un avance considerable en ello.
Una vez finalizados los cultivos el acolchado plástico se muestra deteriorado y hay que sustituirlo. Debe ser retirado del campo y hacer una disposición adecuada del mismo para reciclaje o para un relleno sanitario convenientemente habilitado. En ningún caso los plásticos deben ser quemados, los gases son tóxicos en especial por los aditivos que le colocan al plástico en su elaboración. Otra práctica incorrecta es rastrear el lote y desmenuzar los plásticos, estos serán llevados por la brisa causando distorsiones elevadas, el plástico con sus aditivos tiene capacidad de durar años afectando al suelo, flora y fauna. (Díaz, 2001).
Las alternativas de gestión de los productos agrícolas plásticos se resumen en procesos de reciclado mecánico y de vertido controlado de los mismos, siendo la valoración energética una opción prácticamente desaprovechada (Díaz, 2001).
Además, la labor de levantado de las películas plásticas suele dejarse para el último momento y esto puede ocasionar perjuicios extra, por ejemplo, si se deja sobre el terreno demasiado tiempo, el sol llega a degradar el plástico sobre el suelo él cual se ve afectado por los pequeños residuos que no se pueden colectar fácilmente, esta actividad además se realiza de forma manual y constituye un trabajo complejo para los trabajadores del campo.
Por tal motivo el presente trabajo tiene como objetivo diseñar una máquina simple que permita la recolección de los acolchados plásticos en camas agrícolas de fresa.
MATERIALES Y METODOS
Los parámetros para el diseño del implemento son: ancho del implemento, 1,3 m (dado por las dimensiones de las camas de cultivo), capacidad de carga (646 kg) y velocidad de operación (7 km·h-1). Se definen las funciones que realiza el equipo en el campo, se propusieron dos soluciones y se seleccionó la mejor alternativa con los componentes más apropiados.
Los principales componentes que conforman el diseño del implemento se muestran en la Figura 1, integrados por: los neumáticos 1, que mediante el rozamiento con el suelo transmiten el movimiento al sistema de transmisión por cadena 2, y a su vez hacia el eje superior en donde se acumula la película de polietileno 3, los ejes de las ruedas 4, el rodillo guía 5, el bastidor 6 y las cuchillas para corte del material polietileno 7.
Para seleccionar los neumáticos del implemento, se consultaron catálogos comerciales de neumáticos diseñados para trabajo agrícola, tomando en cuenta la necesidad de una rueda de radio pequeño, de un ancho menor a 33 cm y una capacidad de carga superior a 700 kg.
Diseño del sistema de transmisión por cadena de rodillos
Se calculó la velocidad angular de entrada al sistema de transmisión con relación 1:1, según la ecuación (1), a partir de la velocidad de avance de operación del agregado seleccionada.
donde:
𝜔: |
velocidad angular del neumático, s-1; |
V: |
velocidad de avance de operación del agregado tractor-implemento, m·s-1; |
r: |
radio del neumático, m. |
La potencia necesaria para trabajar hasta 646 kg de película plástica acumulada, se determina con la ecuación 2, según ASABE Standards (2006).
donde:
N: |
potencia necesaria, W; |
F: |
carga generada por el material polietileno, 6 330,8 N; |
f: |
factor de servicio, 1,4. |
La potencia obtenida y la velocidad angular se utilizaron para iterar diseños de transmisión por cadena de rodillos estandarizados en los catálogos, buscando el diámetro primitivo (D1) adecuado para la máquina, que se determinó con la ecuación (3).
Distancia entre centros y número de eslabones de la cadena
La distancia mínima entre centros se determina por la ecuación 4, según Dobrovolski (1990).
Cálculo de la distancia mínima entre ejes (a min ).
siendo:
donde:
De1 y De2 - |
diámetros exteriores de la estrella motriz y de la movida, mm; |
Z1 y Z2 - |
números de dientes de la estrella motriz y de la movida. |
Comprobación de la distancia mínima.
amin < |
80 t |
amin = |
(30...50) t, Se recomienda para condiciones normales de trabajo. |
Cálculo del número de eslabones. (y).
Nota: Se aproxima al número par próximo la cantidad de eslabones calculados.
Cálculo de la distancia axial definitiva (a).
Diseño del eje de recolección
Para el diseño del eje se emplea la teoría de falla por fatiga según Dubois (1980) y ASABE Standards (2006), empleando la ecuación (9) para determinar el diámetro mínimo adecuado.
donde:
D: |
diámetro mínimo del eje, mm; |
f1: |
factor de diseño, medida de la seguridad relativa de un componente bajo la acción de una carga; |
Kt: |
coeficiente por cambios en la geometría del eje; |
M: |
momento flector, Nm; |
𝑆y: |
resistencia estimada a la fatiga del material de construcción del eje, acero 1040 (Deutschman et al., 1985), N/m2; |
T: |
momento torsor en el eje, Nm; |
𝑆n: |
resistencia de fluencia del material del eje, N/m2. |
Para determinar el momento flector crítico se obtienen las fuerzas que actúan sobre el eje, y el torque se obtuvo con la ecuación (10).
Selección de rodamientos
Para los rodamientos seleccionados tanto en el eje superior, como en los neumáticos se utilizó una vida útil de 20 000 horas, la que se determina con la ecuación 11 (Mott, 2006).
donde:
Ld: |
longevidad nominal de un rodamiento, ciclos; |
h: |
vida útil, h; |
n: |
frecuencia de rotación del rodamiento; min-1. |
Las reacciones se determinan y cargas sobre el eje, se obtienen aplicando las ecuaciones de equilibrio estático, según ASABE Standards (2006). Se determina la carga estática de acuerdo a Deutschman et al. (1985), y la carga dinámica según la ecuación 12 (Mott et al., 2009).
donde:
Cr: |
carga dinámica; N; |
Pd: |
carga estática; N; |
K = |
3, para rodamientos de bolas (ASABE Standards, 2006; Mott, 2006). |
Diseño del bastidor del implemento
Para el diseño del bastidor se tomó como fuerza critica, la necesaria para mantener el implemento a una velocidad constante, dicha fuerza aplicada por el tractor al arrastrar el implemento, se considera la resistencia a la rodadura, acorde a la norma ANSI/ASABE (2003), según la ecuación (13).
donde:
RR: |
resistencia a la rodadura; N, |
W: |
carga normal, N; |
Cn: |
coeficiente adimensional en función del índice de cono (Ci) para el suelo. |
El coeficiente Cn se determina a partir de la ecuación (14).
donde:
Ci: |
índice de cono del suelo se determina mediante una prueba normalizada con el penetrómetro, kPa; |
b: |
ancho de los neumáticos sin carga, m; |
d: |
alto de los neumáticos sin carga, m. |
Se calculó la deflexión según Deutschman et al. (1985) a partir de la ecuación (15), considerando el modelo como una viga doblemente apoyada, y se compara con valores límite recomendados para maquinaria (Mott et al., 2009).
Diseño de los ejes de las ruedas
Se calculó la potencia requerida para vencer la resistencia a la rodadura (Pr), garantizando que el agregado tractor-implemento avance a una velocidad constante, según la ecuación 16.
Diseño de las cuchillas de corte de la película plástica
El diseño de la cuchilla se realiza, según ANSI/ASABE (2003) y se recomienda dentada para facilitar el corte del material de polietileno de manera perpendicular a su espesor, con un ángulo de 180°.
Para el cálculo de la fuerza que garantiza la penetración de las cuchillas en el suelo a 10 cm, necesarios para el corte del polietileno, se utilizó la ecuación 17 , según Ortiz-Cañavate (1989); ANSI/ASABE S (2003 y Hibbeler (2010).
donde:
Fr: |
fuerza de resistencia que se genera en el suelo; N |
a: |
ancho de trabajo; cm, |
p: |
profundidad de trabajo; cm, |
μ- |
resistencia especifica del suelo; N·cm-2. |
La resistencia específica μ se determina por la ecuación 18, según ANSI/ASABE S (2003), para las condiciones de mayor exigencia que corresponden a un suelo arcilloso-limoso.
Selección de las cuchillas.
Las cuchillas deben resistir el trabajo sin fallo. El área a cortar, coincide con el área transversal de la cuchilla. La misma se determina considerando la condición de resistencia mecánica a cortante, según Mott et al. (2009); Hibbeler (2010) y se calcula a través de la ecuación 19.
donde:
Fc: |
fuerza cortante; N |
Ac: |
área transversal sometida a cortante; 1.4 cm2 |
|
esfuerzo cortante permisible; 375 MPa |
Para las cuchillas se seleccionó un acero AISI W1 cuya resistencia de fluencia es 1500 MPa (GOST 4543 - 71, 1973 y Deutschman et al., 1985).
Enganche de tres puntos
Para las dimensiones del enganche de tres puntos se siguió la norma de la ASABE Standards (2006) y Sánchez (2015), para un enganche de categoría II.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se obtiene el diseño de un implemento para la recolección de películas de polietileno usadas en camas de cultivo de fresa, para trabajar a 7 km·h-1 y con una capacidad de carga de 646 kg de película recolectada, que puede ser operado por dos personas.
Neumáticos
Los neumáticos seleccionados para el implemento tienen las siguientes características principales: el neumático contiene una cámara interior (TT- Tube type), régimen de capas (PR) de 8, ancho del rin 13,97 cm, el peso (WT) es de 10.886 kg, diámetro exterior (OD) de 72.136 cm, ancho de sección de 20.066 cm, radio con carga estática (SLR) de 32 cm, capacidad de carga a una presión especifica de 52 psi 948 kg, velocidad máxima recomendada (SP) 48.27 km/h. Estos valores fueron obtenidos del catálogo de la marca Alliance Tire Group.
Transmisión de potencia
Se seleccionó un sistema de transmisión por cadena que transmite la potencia generada en el eje de los neumáticos hacia el eje superior de recolección, las características de la transmisión por cadena: Cadena estándar de doble hilera número 120, con un paso de 3,81 cm. La longitud de la cadena L = 327.66 cm. La distancia mínima entre centros 30.5 cm. La distancia axial definitiva a = 116.205 cm. Con dos catarinas iguales de 25 dientes (Z = 25), con diámetros de D1 = 30.399 cm.
Eje superior
El eje superior (Figura 2) de acero 1040, un diámetro de 85 mm y un largo total de 1.4 m, en el cual se colocan los rodamientos estándar 6217, además de la Catarina para la transmisión de potencia.
Ejes de las ruedas
Estos ejes con un diámetro de 70 mm, y unidos a los rines de los neumáticos, por el otro extremo se colocan los dos rodamientos del tipo estándar número 6914 y se unen a las columnas inferiores del bastidor, con una distancia de 0,238 m desde la unión con el rin hasta el extremo del eje.
Cuchillas de corte del plástico
Las cuchillas tienen forma rectangular y uno de sus lados está dentado para cortar la película de polietileno, tienen 7 cm de ancho, 17.62 cm de largo, de los cuales 10 cm están dentados, y un espesor de 2 mm como puede apreciarse en la Figura 3.
En las Figuras 4 a y 4 b se observan las partes que componen el diseño realizado.
1. Eje de giro del sistema de recolección de plástico, 2. Barras para enrollado de plástico, 3. Discos para evitar que el acolchado se salga de las barras, 4. neumáticos (tracción del implemento), 5. Portacuchilla, 6. Cuchilla, 7. Barra acoplada al bastidor y a la portacuchilla, 8. Sistema de enganche de 3 puntos, 9. Bastidor, 10. Rodillo guía para el plástico.
CONCLUSIONES
El diseño del implemento para retirar el acolchado de polietileno en los cultivos de fresa lo componen: dos neumáticos, dos órganos de corte, barra o ejes soportes para los órganos de corte, transmisión por cadena de doble hilera, dos rodamientos de bolas 6914 y posee una capacidad de corte de 646 kg equivalente a una superficie estimada de 0,91 ha/h con avance de la máquina igual a 7 km/h.
REFERENCES
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Recibido: 10 de Febrero de 2021; Aprobado: 18 de Junio de 2021