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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versión On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.31 no.1 San José de las Lajas ene.-abr. 2022  Epub 12-Nov-2021

 

REVISIÓN

Fundamentos, problemática y repercusión del proceso de corte base en la cosecha mecanizada de la caña de azúcar

Rigoberto Antonio Pérez-ReyesI  * 
http://orcid.org/0000-0002-9265-5535

Lázaro Antonio Daquinta-GradailleI 
http://orcid.org/0000-0001-7723-5324

Jorge Douglas Bonilla-RochaI 
http://orcid.org/0000-0002-6250-1885

Carlos Alexander Recarey-MorfaII 
http://orcid.org/0000-0002-0408-4032

Omar Hilario Rodríguez-AguilarI 
http://orcid.org/0000-0002-5151-4584

Julio Águila-GómezI 
http://orcid.org/0000-0003-3577-1668

IUniversidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ciencias Técnicas, Ciego de Ávila, Cuba.

IIUniversidad Central de Las Villas, Facultad de Construcciones, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.

RESUMEN

Las nuevas tecnologías introducidas en la cosecha mecanizada de la caña de azúcar favorecen el aumento de la productividad, sin embargo, el incremento de la vida útil de los órganos de trabajo de las máquinas agrícolas continúa siendo un aspecto importante a considerar para su mejor desempeño, donde se identifica al desgaste abrasivo como el fenómeno físico presente en sus diferentes elementos que más atenta contra su eficaz funcionamiento. En el presente trabajo se abordan los fundamentos teóricos del proceso de corte base de la caña de azúcar, los factores a tener en cuenta en el análisis de la interacción caña-segmento de corte base, así como la repercusión de las condiciones de los campos, los parámetros del proceso y el manejo y montaje de los segmentos de corte base en la calidad y eficiencia de la cosecha mecanizada.

Palabras clave: Cosechadoras de caña de azúcar; sistema de corte base; desgaste

INTRODUCCIÓN

El Ministerio de la Industria Azucarera en Cuba desde enero de 2008 introduce una nueva tecnología para la cosecha mecanizada de la caña de azúcar en la provincia de Ciego de Ávila, basada en las cosechadoras CASE-IH 7000 y 8000 de fabricación brasileña. Esto ha impactado con profundas transformaciones en la cosecha, el transporte y recepción de la caña en la industria. Matos et al. (2010) realizan un análisis sobre el comportamiento de estas cosechadoras usadas en la zafra 2008-2009 en diferentes unidades de producción, donde exponen causas de índole técnico-explotativas que limitan el trabajo de estas máquinas, lo que incide en los resultados productivos de la empresa. Por otra parte, Max et al. (2012) declaran que una ejecución eficiente del corte base repercute significativamente en la calidad del proceso, así como en las pérdidas de materia prima y la longevidad del cañaveral. De igual modo, De Toledo et al. (2013); Ma et al. (2014); Manhães et al. (2014); Abd-El & Hemeida (2015); Mathanker et al. (2015); Narimoto & Burgess (2015); Hu et al. (2016); Tahsin et al. (2016); Jamadar et al. (2017); Momin et al. (2017); Abdallah et al. (2020); De Almeida et al. (2020) consideran que el corte basal es la causa fundamental de los daños ocasionados en los tallos y las pérdidas en la cosecha mecanizada de la caña de azúcar.

Daquinta et al. (2014) exponen que uno de los principales problemas que afectan el buen funcionamiento de las cosechadoras es la durabilidad de los segmentos de corte base (cuchillas). Argumenta que estas herramientas son las de más baja fiabilidad que poseen dichas máquinas, al ser las primeras que tienen contacto directo con la masa vegetal a cortar y trabajar en condiciones severas en un medio muy abrasivo, lo que provoca el desgaste acelerado del filo.

Pérez et al. (2018) también arriban a la conclusión de que uno de los principales problemas que afectan el buen funcionamiento de las cosechadoras de caña de azúcar CASE-IH es la durabilidad de los segmentos de corte base. Un estudio realizado por estos autores revela que es el sistema mecánico el de mayor influencia en el número de fallas por elementos, debido al excesivo desgaste de los segmentos de corte base, provocado por las condiciones de trabajo extremas a que están expuestos, lo que provoca mala calidad del corte, pérdidas en el proceso y pobre desempeño del sistema de corte base.

DESARROLLO DEL TEMA

Fundamentos del proceso de corte base en la cosecha mecanizada de la caña de azúcar

Abadia (2018) destaca que la función básica del cortador base es cortar con el filo de sus segmentos de corte los tallos de caña. En 60 cm de anchura se quedará caña por fuera del área de máximo trabajo de los discos. La caña debe quedar sembrada entre 40 y 50 cm máximo, pero evitando que las cepas se corran a partir del primer corte o retoño. Debe continuarse con la labor agrícola de deshije o retirada de excesivos brotes de plantas laterales. Un excesivo número de tallos en el tándem de corte de los discos causará atascamiento, mal corte, pérdida de caña y problemas de rebrote.

Los mecanismos de corte base están diseñados en función de dos sistemas principales: sistema de corte con barra de corte y sistema de corte giratorio (Patil & Patil, 2013). El mecanismo de corte giratorio con segmentos de corte se usa con más frecuencia que el mecanismo de corte con barra de corte para tallos gruesos (como la caña de azúcar) que tienen más resistencia al corte. La ventaja de este mecanismo es que los cortadores giratorios ejercen una gran inercia y fuerzas de impacto en el tallo al cortar cuando los discos de corte tienen un diámetro grande (hasta 90 cm). Especialmente, cuando se cortan tallos de alto tonelaje (alta densidad), la ventaja de usar la inercia y la fuerza de impacto se vuelve más prominente. Por lo tanto, el cortador base de las cosechadoras de caña de azúcar que se usa en la actualidad, generalmente consta de dos discos giratorios con rotación contraria que realizan el corte sin apoyo (A) con segmentos de corte (cuchillas) remplazables en cada disco (B) instalados en su periferia (Figura 1), que actúan con un 60% de su área de contacto cortando la caña contra el suelo (Ma et al., 2014).

(Abadia, 2018; Rezende, 2020)

FIGURA 1 Cortador base de las cosechadoras de caña de azúcar que se usan en la actualidad. 

Las cosechadoras actuales utilizan mecanismo de corte base con disco giratorio que realizan el corte sin apoyo y por impacto de los tallos de caña de azúcar, luego de estos ser desviados un ángulo (β) en la dirección del movimiento de la máquina por el rodillo tumbador, como se observa en la Figura 2a. La Figura 2b muestra un análisis de la fuerza cortante en la dirección del corte. La fuerza cortante es igual a la suma de la fuerza inercial (la resistencia a la aceleración del disco), la fuerza de flexión (la reacción estática debido a que el tallo se flecta en la dirección cortante), fuerza de tracción (la reacción estática debido a la tensión del tallo a lo largo de la dirección de su eje) y la fuerza de fricción entre el tallo y el rodillo tumbador (Sitkei, 1986; Ma et al., 2016). Los parámetros que se distinguen en la Figura 2 se corresponden con:

α = Ángulo entre la vertical y el eje central de la caña en la dirección del corte; α1 = Deflexión de la caña provocada por el cortador base en dirección del corte; β = Deflexión de la caña provocada por el rodillo tumbador en dirección del movimiento de la máquina; Fcutting = Fuerza de corte de la cuchilla ejercida sobre la caña; Finertia = Fuerza de inercia originada por la rotación del cortador base; Fbending = Fuerza de flexión originada por la deflexión de la caña en la dirección cortante; Ftension = Fuerza de tracción originada por la deflexión de la caña y Ffriction = Fuerza de fricción originada por la deflexión de la caña provocada por el rodillo tumbador. (Fcutting = Finertia + Fbending + Ftension + Ffriction).

(Sitkei, 1986; Ma et al., 2016)

FIGURA 2 Esquema del proceso de corte base de la caña de azúcar.  

Para completar el corte, la fuerza ejercida en las periferias del punto cortante debe ser mayor que la fuerza de resistencia total. Desde la posición relativa del rodillo tumbador el cortador base se considera fijo y la fuerza de fricción también puede considerarse fija. Si la velocidad cortante es fija, entonces la inercia es fija, y la suma de la flexión y la tracción es determinada por la desviación del tallo en la dirección cortante (Ma et al., 2016). A mayor desviación, mayor es el riesgo de corte ineficaz, porque el tallo pudiera fracturarse y rajarse por el efecto del corte. La desviación del tallo en la dirección cortante depende principalmente de la distancia entre el punto cortante y el punto de apoyo en la tierra (Persson, 1987).

La mayoría de los estudios pertinentes Kroes (1997); Mello & Harris (2003); De Toledo et al. (2013) investigan el corte base de un solo tallo, considerando que el estudio investiga la calidad del corte base de un plantón entero (cepa de múltiples tallos). El espacio entre los tallos del plantón en una cepa determina el ángulo máximo que pueden desviarse estos antes de pegarse a los tallos vecinos. Cuando es cortado un tallo, el tallo vecino impedirá una desviación grande.

Los tallos se inclinan un ángulo α (en la dirección cortante) que se define como el ángulo entre la línea de plomo (vertical al suelo) y el eje central del tallo antes de ser impactado por la cuchilla de corte base (Figura 2b). Durante el proceso de corte base, los tallos son desviados en la dirección cortante un ángulo α1 adicional (deflexión) causado por el cortador base, por lo que en campos de alta densidad de caña (donde disminuye el espacio entre los tallos y se limita la deflexión), el proceso cortante se hace más complejo.

La deflexión en el proceso de corte base es usada para explicar la relación entre la longitud del daño al tallo y la densidad del plantón, así como la relación entre la longitud del daño y la altura de corte, porque la densidad del plantón y altura de corte afectan la desviación del tallo durante el proceso. Para las cosechadoras, el proceso cortante se considera como la fase activa de energía-consumo en el funcionamiento del equipo. Guarnieri et al. (2007) desarrollan un modelo matemático completo para una barra de corte con una cuchilla acoplada a un cigüeñal. El análisis del desempeño del sistema demuestra que el modelo tiene éxito. Zastempowski & Bochat (2014) presentan un modelo matemático característico para el proceso de corte del tallo, el que genera una curva típica que describe el proceso de corte, dividida en tres etapas como muestra la Figura 3. El modelo es verificado y tiene una buena correspondencia con los resultados experimentales durante la realización de las pruebas.

Shen et al. (2016) explican que en la Figura 3, donde la curva 1 es la curva de fuerza-desplazamiento bajo la prueba de cero cargas y la 2 es la curva fuerza-desplazamiento cuando el segmento de corte realiza el corte del tallo, se representan tres regiones marcadas como A, B y C, las que constituyen las etapas de: el desarrollo inicial del corte; la deformación por corte de la sección transversal del tallo; el momento posterior al corte respectivamente.

Expresa que en la región A el valor de la fuerza aumenta continuamente desde cero a partir de que el filo del segmento de corte comienza a tener contacto con el tallo. En esta región se produce el proceso de corte y en el instante en que este se ha logrado, la fuerza de corte alcanza el valor máximo y la estructura del tallo es destruida, el segmento de corte ha cortado el tallo y la curva entra en la región B, donde la fuerza de corte decrece bruscamente. En el momento del corte, la acción del corte y el avance de la herramienta suceden simultáneamente y la curva fluctúa después de entrar en la fase final del corte, sin embargo, la magnitud de la fuerza resultante decrece gradualmente con la disminución progresiva del área de corte.

FIGURA 3 Curva teórica típica de la relación Fuerza - Desplazamiento del corte de un tallo único Shen et al. (2016)

Añade, que en el momento en que el tallo queda completamente cortado, la magnitud de la fuerza de corte cae repentinamente y la curva entra en la región C. Teóricamente esta región no participa en el proceso de corte del tallo y su valor debe corresponderse con el valor de la fuerza en la curva de cero cargas. Sin embargo, algunas fibras pueden entrar en el espacio entre los segmentos de corte base durante el proceso, incrementando la fuerza de fricción con el movimiento de estas herramientas, por lo que la magnitud de la fuerza de corte en la curva 2 es ligeramente superior al de la curva 1 de cero cargas en esta región. Las regiones A y B son las que realmente intervienen en el proceso de corte del tallo de la caña de azúcar.

Según Srivastava et al. (1993) y Chen et al. (2004) pueden obtenerse propiedades mecánicas de los tallos a cortar a través de la curva de fuerza-desplazamiento: la fuerza cortante máxima (la diferencia entre la magnitud del máximo valor de la fuerza de corte en la curva 2 y el valor de cero cargas en la curva 1 durante el corte) y la energía al corte de un tallo único (el área debajo de la curva de fuerza de corte 2 y la curva 1 de cero cargas en la región A y la región B, calculado según la integración numérica).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Problemática y repercusión del proceso de corte base en la cosecha mecanizada de la caña de azúcar.

Una cosechadora integral trabaja de la siguiente forma: una vez que la máquina se coloca frente al surco de caña y comienza a avanzar, la primera acción que realiza es cortar las puntas de la planta (que tienen muy bajo contenido de sacarosa) a través de un mecanismo llamado despuntador. Ese despunte se desprende hacia un costado y va quedando disperso en el suelo a lo largo del surco. Por detrás, comienza a actuar el sistema de alimentación de la máquina, compuesto por los divisores de líneas y rolos alimentadores que van direccionando la caña. El rodillo tumbador inclina la caña para que su base quede expuesta al sistema de corte base. Los divisores de cosecha introducen la caña hacia el centro de la máquina y contribuyen a levantar las cañas que están caídas o cruzadas (Valeiro & Biaggi, 2019).

El corte base es una de las funciones principales de la cosechadora, es la operación más delicada para la incorporación de tierra y cepas, la destrucción del cultivo y las pérdidas de caña dejada en el campo por la excesiva altura del tocón (Figura 4). De su eficiencia depende en gran medida la cantidad y calidad de la caña que va al ingenio. Todo lo que sea material contaminante (suelo y partes de la planta principalmente) que entre en el sistema, reduce la capacidad de molienda y aumenta las pérdidas de sacarosa en las etapas de producción de azúcar (Abadia, 2018); Valeiro & Biaggi, 2019).

El corte de los tallos de la caña de azúcar llevado a cabo por el aparato de corte base tiene lugar en situaciones difíciles, pues los segmentos de corte base, además de cortar los tallos de caña, frecuentemente entran en contacto con diversos obstáculos que se encuentran en el surco (piedras, tocones de árboles, secciones de metal), lo que incide en la buena realización de esta operación. No obstante, el principal problema que enfrentan estas herramientas es el excesivo desgaste que sufren durante la operación de corte, que provoca la rápida y continua sustitución o recambio de las mismas (Daquinta, 1995).

(Abadia, 2018)

FIGURA 4 Influencia del corte base en la incorporación de tierra y cepas y la destrucción del cultivo . 

El tipo y la intensidad del desgaste en los segmentos de corte base están en función de la naturaleza y propiedades mecánicas del material de estas herramientas, de las condiciones de operación, de las propiedades físico-mecánicas y anatómicas de los tallos y de las partículas del suelo (Fielke et al., 1993).

Según Guul (como se citó en González et al. (2008), para analizar la interacción entre los segmentos de corte base, la caña de azúcar y las partículas del entorno, durante el corte se deben tener en cuenta los siguientes cinco factores:

  • Proceso térmico de fabricación y geometría. Por su régimen de trabajo muy severo, estas herramientas deben reunir propiedades tribo-mecánicas como la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia al impacto. Además, el ángulo del filo determina la realización de un corte limpio y una menor resistencia al corte de los tallos. Autores como Mello & Harris (2003); Mello (2005); De Toledo et al. (2013); Mathanker et al. (2015); Momin et al. (2017) han investigado el desempeño de los segmentos de corte base con diferentes diseños, geometrías del filo y ángulos de impacto.

  • Propiedades y variedad de la caña cortada. Referido fundamentalmente a la cantidad de sílice presente en la corteza y a la cantidad de fibras por sección que pueden tener las diferentes variedades. En este sentido, González et al. (2008) caracteriza la microestructura de los tallos de tres variedades de caña de azúcar y establece relaciones entre algunas características microestructurales de los tallos y la energía al corte. Uno de los aportes destacables de esta investigación es el haber relacionado algunas propiedades mecánicas con las dimensiones medias de las fibras para tres variedades de caña de azúcar. Valdés et al. (2008) determina un conjunto de propiedades físico-mecánicas de dos variedades de caña de azúcar empleadas en Cuba como forraje para la alimentación animal. Estas propiedades constituyen datos de entrada imprescindibles para la evaluación de modelos físico-matemáticos que posibilitan calcular los principales parámetros de diseño y explotación de las máquinas picadoras de forraje. Díaz & Iglesias (2014) reportan resultados de la determinación de las propiedades físico-mecánicas de los tallos de la caña de azúcar involucradas en el proceso de extracción de jugo para la fabricación de panela. Estos se obtienen en función de los diferentes lugares geométricos, biológicos y diámetros de los tallos, para tres variedades de caña, valores exigidos en un modelo matemático para la determinación de la energía requerida en el proceso de extracción de jugo.

  • Condiciones y nivelación del campo. Uno de los principales problemas que existen en los campos es la presencia de obstáculos y la mala preparación del terreno, lo que conlleva al desgaste y provoca deformaciones y roturas de los segmentos de corte base, por lo que se tienen que sustituir con frecuencia estas herramientas. En este sentido, Abadia (2018) en la Figura 5 muestra la forma del surco y ubicación de los discos de corte base para las condiciones ideales de corte en campos destinados a la mecanización. Añade, como se observa en la Figura 6, que las labores agrícolas siguientes a la siembra de la caña (1) serán definitivas en el levantamiento del cultivo (2-3), puesto que estas permitirán ir dando forma de trapecio al camellón o perfil de surco (4). Esto dependerá de condiciones como el tipo de suelo, los sistemas de riego, la nivelación y los tipos de máquinas cosechadoras a utilizar. Lo importante es conservar una altura final del lomo no superior a 15 cm y un ancho de cepas no superior a 50 cm para evitar perdida de caña y excesivo desgaste de las cuchillas (5).

Insiste, además, en que las diferentes condiciones de campo no adecuadas deben mejorarse paulatinamente para acercar las máquinas a los mejores diseños posibles (Figura 7). Los mismos campos con diferentes geometrías de surco o camellón (1), irregularidades en las calles de riego por labores agrícolas inadecuadas (2) deben corregirse, pues en estas condiciones se incorpora tierra y cepas, se presentarán daños al cultivo y se favorecerá el desgaste de las cuchillas. En la conformación ideal (3) se observa que los entresurcos son uniformes, la altura del camellón es uniforme y su forma geométrica también lo es.

(Abadia, 2018)

FIGURA 5 Forma del surco y ubicación de los discos de corte base para las condiciones ideales de corte. 

(Abadia, 2018)

FIGURA 6 Condiciones del campo para las labores agrícolas siguientes a la siembra de la caña. 

(Abadia, 2018)

FIGURA 7 Diferentes condiciones de preparación del campo no adecuadas (1 y 2) e ideal para el proceso de corte mecanizado (3). 

  • La velocidad de corte. Según Silveira (citado por Águila (2010), cuando la velocidad es pequeña se produce el desgarramiento y la rotura del tallo. Con el aumento de la velocidad, el corte se obtiene sin desgarramiento y sin roturas y las fuerzas de resistencia al corte disminuyen. Cuando hay un exceso de velocidad ocurren obstrucciones, caña dañada, troncos cortos, poca extracción de residuos y motor sobrecargado. Además, según Valdés et al. (2009) la energía específica consumida durante el corte de los tallos disminuye en la medida que aumenta la velocidad de corte, presentándose una tendencia asintótica a partir de los 20 hasta 30 m/s .

  • El ángulo de inclinación del disco de corte base. Cuando el ángulo de inclinación del disco de corte base es incorrecto, ocurre un gran desgaste en los segmentos de corte, daño a las cepas y caña dejada en el campo. Los ángulos de corte del cortador base deben corresponder a las condiciones especiales del campo, pues ningún cultivo es totalmente uniforme (Figura 8). Será necesario, entonces, tener operadores que sean capaces de adaptarse y operar en diferentes condiciones de campo. La falta de compromiso y personal inadecuado de mantenimiento son los principales problemas para solucionar esta dificultad (Abadia, 2018).

Otro aspecto importante que considera este autor es el manejo y montaje de los segmentos de corte base (Figura 9), que combinado con la altura de corte inadecuada y una angulación inadecuada del cortador base, además de generar incorporaciones de materia extraña en tierra y cepas de hasta 0,5% y pérdidas por machucamiento de hasta 0,6 toneladas de caña por hectárea, contribuye al acelerado desgaste de los mimos.

De igual modo, un segmento de corte más largo (Figura 10), evita el contacto del disco con el suelo, la arrancada de cepas y estallamiento de la caña y favorece un óptimo aprovechamiento del filo que incrementa la vida útil de la herramienta.

(Abadia, 2018)

FIGURA 8 Magnitudes recomendadas de los ángulos de corte del cortador base. 

(Abadia, 2018)

FIGURA 9 Desgaste en los extremos redondeados: a) Por altura de corte inadecuada; b) Por angulación inadecuada. No se debe cortar con la punta de los segmentos  

(Abadia, 2018)

FIGURA 10 Manejo y montaje de los segmentos de corte base: a) Montaje ideal, b) Desgaste y terminación de los segmentos de corte base utilizados correctamente, c) Desgaste y terminación inadecuada de los segmentos de corte base. 

CONCLUSIONES

  • Las cosechadoras actuales utilizan mecanismo de corte base con disco giratorio que realizan el corte sin apoyo y por impacto de los tallos de caña de azúcar, donde se distinguen tres regiones: el desarrollo inicial del corte (se produce el proceso de corte, la fuerza de corte alcanza el valor máximo y la estructura del tallo es destruida); la deformación por corte de la sección transversal del tallo (la acción del corte y el avance de la herramienta suceden simultáneamente y la fuerza de corte decrece bruscamente con la disminución progresiva del área de corte).; el momento posterior al corte (el tallo queda completamente cortado y la magnitud de la fuerza de corte cae repentinamente).

  • El desgaste abrasivo es el principal fenómeno que atenta contra la durabilidad de los segmentos de corte base de las cosechadoras de caña de azúcar, por lo que se hace necesario considerar, durante el proceso de corte, un grupo de factores como: el proceso térmico de fabricación y geometría de las cuchillas; las propiedades y variedad de la caña cortada; las condiciones y nivelación del campo; la velocidad de corte; el ángulo de inclinación del disco de corte base y el manejo y montaje de los segmentos, para disminuir las afectaciones en el desempeño de estas herramientas y favorecer el incremento de la durabilidad de las mismas.

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Recibido: 18 de Abril de 2021; Aprobado: 12 de Noviembre de 2021

*Author for correspondence: Rigoberto Antonio Pérez-Reyes, e-mail: rigobertopr@unica.cu

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