ARTÍCULO ORIGINAL
Diseño de un dispositivo para determinar la fuerza de desprendimiento del grano de la panícula en el cultivo de arroz
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Design of a device to determine the force of detachment of the grain from the panicle in the rice crop
Edenio Olivares Díaz I, Edry García Cisneros I, Neeldes Matos Ramirez I, Arturo Martínez Rodríguez II
]]> I Grupo Multidisplinario Agrícola (GMA), Universidad de Camagüey. Camagüey, Cuba.
II Centro de Mecanización Agropecuaria, Universidad Agraria de La Habana. Mayabeque, Cuba.
]]> RESUMEN
La producción de arroz (oryza sativa) en pequeña escala está incluida en el Programa Nacional de Arroz y es implementado por el gobierno para dar respuesta a la alta demanda del preciado grano en el consumo dentro de los cubanos; además, como vía para la sustitución de importaciones, importante tarea en la actualidad cubana. Pero existen varios problemas en la producción de arroz en pequeña escala; destacándose el estado de la maquinaria agrícola utilizada en el proceso de post-cosecha. La mayoría de la maquinas utilizadas en esta producción son construidas empíricamente por los pequeños productores utilizando resto de combinadas de arroz y otras piezas, además, realizan la construcción tomando como ejemplo maquinas importadas y sin contar con diseños científicamente fundamentados, trayendo consigo altas perdidas en el proceso de post-cosecha. Analizando lo anteriormente expuesto, en el presente trabajo se realiza el diseño de un dispositivo para determinar las fuerzas de desprendimiento del grano de la panícula en el cultivo de arroz; teniéndose en cuenta estudios realizados en la temática y características para su fácil construcción en el país. Además, el dispositivo es un aspecto importante para el estudio y la determinación de las propiedades físico–mecánicas del sistema pedicelo-grano de arroz; permitiendo así diseños fundamentados en maquinarias agrícolas, fundamentalmente trilladoras, alcanzando disminuir las perdidas en el proceso de post-cosecha.
Palabras clave: producción, arroz, pequeña escala, propiedad físico-mecánica, grano-panícula de arroz.
ABSTRACT
]]>The production of rice (oryza sativa) in small-scale is included in the National Program Rice and it is implemented by the Cuban government to give answer to the high claim of the grain in the consumption of population; besides, it is also a way for the import substitution, an important task in the present moment of Cuban people. But there are several problems in the small-scale rice production; standing out the status of the agricultural machinery utilized in the post-harvest process. A high percent of the machines used in this production are constructed empirically by the small producers utilizing rest of combined rice with another pieces; furthermore, they carry through the construction taking, for example imported machines without designs scientifically based, bringing high losses in the process of post-harvest. Examining the previously exposed in the present work, the designing of a device to determine the forces of detachment of the grain from the panicle in the crop of rice is accomplished; taking in account studies carried out in the subject matter and characteristics for its easy construction at our country. Furthermore, the device is an important aspect for the study and the determination of the physical-mechanical properties of the pedicel-grain system in rice crop; enabling in this way, to establish scientifically well-founded designs in agricultural machinery, basically thresher machines, being possible to decrease the losses in the post-harvest process.
Key words: Rice, production, small scale, physical-mechanical property, grain-panicle of rice.
]]> INTRODUCCIÓN
El arroz (oryza sativa) es el alimento básico para gran parte de la humanidad. Aunque la demanda global de arroz per cápita está disminuyendo, la demanda de este cereal, en su conjunto, continuará en aumento debido al crecimiento de la población y al aumento de los modelos de consumo en diferentes regiones. En Cuba hasta el año 1990 se reportaba un consumo de unos 46 kg/persona/año y en la actualidad esta cifra asciende a 60 kg, los 11.2 millones de cubanos consumen 11 lb de arroz como promedio mensual, para un consumo anual de más de 600 000 t (Cultivo de arroz en Cuba, 2008); (García, 2003). Para el 2011 Cuba tendrá que importar el doble del arroz que produce para el consumo en la isla a un precio que oscila entre los 150 y 460 dólares la tonelada, es por ello que la producción de arroz en nuestro país es importante. En 2009, el Programa de Arroz del Ministerio de Agricultura puso en marcha un plan estatal que se propuso sustituir el 29% de las importaciones en ese año y llegar hasta el 56% en 2013 (Cuba importará en 2011 el doble del arroz que produce, 2010). Cuba invirtió en 2009 más de 2 000 millones de dólares en importaciones de arroz para garantizar el suministro a la población (Agencia EFE, 2008). La producción de arroz no especializado se ha incrementado, pero se necesita mayor ritmo y participación al balance nacional. Desarrollar la producción de arroz popular y familiar para incrementar su participación en el balance nacional contribuyendo a la reducción de las importaciones será una meta seria en los próximos años (UNCTAD, 2011).
Como se puede detectar, la producción de arroz en pequeña escala es fundamental para el consumo de la población cubana (Sánchez y Socorro, 2008). No obstante, existen debilidades en el proceso de post-cosecha. Entre las problemáticas existente, se puede observar, según estudios realizados, que los pequeños productores presentan maquinarias construidas empíricamente con restos de combinadas y otras piezas para realizar el proceso de post-cosecha; es decir, no utilizan maquinas con diseños y estudios fundamentados; esto provoca ineficiencias, baja calidad del producto y perdidas de granos en el proceso de post-cosecha. (Olivares et al., 2011; Olivares, 2010).
Resultando como problema científico:
Altas pérdidas en el proceso de trilla de arroz en la producción a pequeña escala debido al estado actual de las máquinas trilladoras.
No existencia de dispositivos que permitan determinar las fuerzas de desprendimiento del grano de la panícula en el cultivo de arroz.
]]> No existencia de estudios previos de las propiedades físico-mecánicas en el sistema grano-pedicelo-panícula en el cultivo de arroz en Cuba.
Ø Para dar solución al problema se establece como idea a defender si se considera estudios previos realizados sobre dispositivos para determinar la fuerza de separación del grano de la panícula, se podrá entonces desarrollar el diseño de un dispositivo técnico para determinar las fuerzas de desprendimiento o separación del grano de la panícula en el cultivo de arroz; permitiendo determinar las propiedades físico-mecánicas del sistema grano- pedicelo-panícula en dicho cultivo.
Como objetivo del trabajo se plantea lo siguiente: realizar el diseño de un dispositivo para determinar las fuerzas de desprendimiento del grano de la panícula en el cultivo de arroz.
El objeto de la investigación es el órgano de trilla de las máquinas trilladoras destinada a la producción de arroz en pequeña escala: teniendo como campo de la investigación determinación de las propiedades físico-mecánica del sistema grano-pedicelo-panícula en el cultivo de arroz.
]]> MÉTODOS
El diseño del dispositivo se realizó por medio de un software profesional para modelado mecánico, que permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planos como otro tipo de información necesaria para la producción. El software utilizado es el Solidworks.
La idea original del dispositivo pertenece al BRAIN: Bio-oriented Technology Research Advancement Institute (Ichikawa et al., 1990; Inoue et al., 1998; Kuhn et al., 1982). Basándose en esa idea se realizó el diseño de este dispositivo, pero teniendo en cuenta las características y condiciones actuales por las que atraviesa nuestro país, por esta razón se previó la utilización de materiales de bajo costo y de fácil acceso.
Para la realización del diseño se empleó la ingeniería inversa, se partió de la experiencia adquirida de investigadores japoneses acopiándose importante información gráfica de aparatos similares. Se tuvo en cuenta además los valores máximos de fuerza que existirá durante los experimentos, los cuales -basándonos en estudios anteriores-oscilaran entre los 1 y 3 N.
Para la futura elaboración de sus partes se consideró la utilización de máquinas herramientas convencionales como el torno, el taladro vertical y la fresadora, equipos de soldar oxiacetilénicos, electro esmeriladora y otros, los cuales pueden encontrarse en el taller de maquinado y el taller de soldadura pertenecientes a la Facultad de Electromecánica de la Universidad de Camagüey.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El dispositivo permite la medición en la espiga de arroz, la resistencia a la separación entre el grano de arroz con cáscara y su pedicelo a tracción y flexión. El dispositivo está compuesto por tres sistemas fundamentalmente, el sistema de tracción, el sistema de agarre y el sistema de medición, como se observa en la Figura 1.
Además en la figura se puede observar las dimensiones de la base del dispositivo.
El sistema de agarre, se puede ver en la Figura 2; el mismo consta de varias partes que se relacionan a continuación:
Las pinzas de agarre se pueden poner y quitar fácilmente, el clip que sujeta el cuello de la espiga de arroz se encuentra a la venta en lugares para artículos de oficina. Se puede medir la resistencia a la separación por tracción y flexión, mediante el cambio de las pinzas, (pinza de tracción o pinza de flexión). Aspecto que será detallado más adelante en este artículo. La línea roja indica la línea central del sistema.
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El sistema de tracción o accionamiento, como se distingue en la Figura 3, posee las siguientes partes:
En los sistemas de accionamiento y de agarre se puede utilizar el acero AISI1020, el cual es relativamente barato y de fácil adquisición.
El sistema de medición, se señala en la Figura 4, está compuesto de las siguientes partes:
El dinamómetro junto a su base se moverán por las ranuras en dependencia del largo de la espiga de arroz. Las tuercas ciegas ajustan el sistema en el lugar adecuado.
Como se ha explicado anteriormente, la máquina presenta la posibilidad de realizar mediciones de fuerza de tracción y determinar el momento flector; a continuación se elabora una descripción detallada de cómo se puede obtener cada uno de los aspectos.
La fuerza axial N (central) actúa a lo largo del eje (sistema grano pedicelo); se denomina fuerza de tracción ya que la fuerza N tiene una acción hacia fuera (Stiopin, 1979). Como se observa en la Figura 5.
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Para lograr la tracción es necesario un agarre que actúe a lo largo del eje central del sistema grano-pedicelo. Nótese en la Figura 6.
Como se puede analizar, mediante el dispositivo de agarre se logra que exista la acción de una fuerza que actúa a lo largo del eje axial del sistema grano-pedicelo-panícula (Lin-hua, 2008).
Además, es importante tener en cuenta que el sistema de accionamiento debe proporcionar que el sistema de agarre presente un desplazamiento uniforme y sin giro.
Para la compresión de cómo se puede obtener el momento flector sea hace necesario plantear el teorema del traslado paralelo de fuerzas (Beer, 1981).
]]>Analizando la Figura 7, se puede observar que el efecto de la fuerza F sobre el sólido, depende de su punto de aplicación A.
Si se fija un punto de referencia G cualquiera en el sólido, y fijamos la posición de A mediante el vector de posición h.
En el punto G se aplican dos fuerzas iguales y contrarias. Por tanto la fuerza F aplicada en el punto A y la fuerza–F aplicada en G, forman el par Mf = F x h. Por lo tanto el efecto del traslado paralelo deja como resultado la fuerza F y el momento Flector Mf aplicado en el punto deseado, en el caso que se analiza es G, como se detalle en la Figura 8.
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Luego de analizado el teorema de traslado paralelo de fuerzas, se analiza a continuación como debe ser el diseño del dispositivo de agarre, además, como se lograr el momento flector. Como se expresó anteriormente, para lograr un momento flector es necesario poner en práctica el teorema antes descrito; nótese en la Figura 9a se puede observar como el dispositivo de agarre para obtener el momento flector permite desplazar la acción de la fuerza de tracción F que actúa en la línea de acción central, una distancia e hacia arriba, permitiendo así, la aplicación del teorema de traslado de fuerza.
En la Figura 9b se nota el resultado final del teorema de traslado de fuerza, obteniéndose el momento flector por la siguiente ecuación:
donde: ]]> F: Fuerza obtenida.
e: excentricidad.
Después de analizado como se obtiene el momento flector mediante la aplicación del teorema de traslado paralelo de fuerzas, se observa que el diseño del dispositivo de agarre tiene un factor determinante, ya que toma un papel determinante la excentricidad y la misma se obtiene mediante el diseño del dispositivo de agarre, el cual puede verse en la Figura 10.
Un aspecto importante es como se debe colocar el sistema de agarre en el grano para lograr los efectos deseados al aplicar las fuerzas, en la Figura 11 se observa de forma detallada como se logra la tensión tracción y el momento flector debido a la excentricidad obtenida (Shitanda et al., 2002); Szot et al., 1998).
Los procedimientos para medir la fuerza de separación de un grano del pedicelo son como sigue:
Sostenga el cuello de la espiga en el clip y un grano en las mordazas.
]]> Mueva el manubrio a razón de una rotación por segundo para que las mordazas se desplacen lateralmente por la línea del sistema con una velocidad constante y tire del grano.
Lea la medida de la fuerza máxima cuando el grano es separado del pedicelo.
Mida la fuerza máxima de cada grano en las tres partes de la espiga, desplazando el sistema de medición como fue explicado anteriormente.
Repita la prueba por lo menos en tres panículas de cada variedad, divida las mediciones de forma tal que al final allá realizado las mediciones según el tamaño de muestra obtenido; y tome un promedio de todas las medidas y eso representa la fuerza de separación de esa variedad.
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CONCLUSIONES
Una vez realizadas las tareas del presente trabajo; se llegaron a las siguientes conclusiones generales:
Se realizó el diseño de un dispositivo técnico que determinar la fuerza de desprendimiento del grano de la panícula en el cultivo de arroz a tracción y flexión, teniendo en cuenta materiales de construcción de fácil acceso, lo que permitirá realizar un estudio detallado de las propiedades físico-mecánicas del sistema grano- pedicelo-panícula en dicho cultivo.
Se podrá disminuir las perdidas en el proceso de trillado de arroz en la producción en pequeña escala debido a que el diseño del dispositivo permitirá la construcción de maquinas trilladoras con diseños fundamentados científicamente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Recibido: 12 de octubre de 2010.
Aprobado: 30 de enero de 2012.
Edenio Olivares Díaz. Ingeniero Mecánico, miembro del Grupo Multidisciplinario Agrícola (GMA), Profesor Asistente de la Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba. Correo electrónico: edenio.olivares@reduc.edu.cu
