Efecto de la geometría y tipo de material en el desgaste de aperos de labranza

Effect of Geometry and Type of Material in Tillage Implements Wear

Angel Lázaro Sánchez Iznaga^I, Miguel Herrera Suárez^II, Jorge Daniel López Morfa^III, Yoandris Socarrás Armenteros^I, Anabel Machado Guevara^I

^IUniversidad de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba.

^IIUniversidad Técnica de Manabi (UTM). Portoviejo, Manabí, Ecuador.

RESUMEN

El desgaste abrasivo de los órganos de trabajo de los aperos de labranza, es un fenómeno que trae pérdidas de material en poco período de tiempo, provocando la variación de su geometría. Por lo que el presente trabajo tiene como objetivo: determinar el desgaste abrasivo en condiciones de campo de órganos tipo cincel y rectangulares de los aperos de labranza de los ultasoles. La investigación experimental se desarrolló en áreas de la Empresa de Cultivos Varios de Manacas, perteneciente al municipio Santo Domingo, provincia Villa Clara, entre los meses de enero y abril del 2013. La determinación de desgaste abrasivo se realizó mediante el método gravimétrico, que consistió en relacionar la pérdida de peso del órgano con la pérdida de masa del mismo. Para esto se elaboró un diseño experimental con tres tratamientos y cuatro réplicas. Los tratamientos estuvieron dirigidos a cuantificar la influencia del tipo de acero y la geometría del órgano de trabajo. El análisis estadístico se realizó mediante el software STATGRAPHICS Centurión XV. Los resultados mostraron que la pérdida de masa en el acero G-60 alcanzó valores promedios de 79,81 y el acero CT-3 de 304,02 g. Por otra parte, los órganos de cincel y rectangulares alcanzaron valores promedios de 180,3 y 304,02 g respectivamente. Se cuantificó que en solo 24 h el volumen de material perdido en los órganos tipo cincel promedió 17,51 cm³ y en los rectangulares 34,96 cm³. Finalmente se encontró que la pérdida de masa fue dependiente del tipo de geometría y material.

Palabras clave: pérdida de masa, desgaste, abrasivo, apero, método gravimétrico, órganos de trabajo.

ABSTRACT

Abrasive wear of working organs of tillage implements is a phenomenon that brings losses of material in a short period, causing the variation of its geometry. Therefore, the present work has as objective to determine the abrasive wear in field conditions of chisel and rectangular organs of tillage implements of ultrasoles. The experimental research was developed in areas of “Cultivos Varios” Company of Manacas, belonging to Santo Domingo Municipality, Villa Clara Province, between the months of January and April 2013. The determination of abrasive wear was made by the gravimetric method, which consisted in relating the weight loss of the organ with its mass loss. For this, an experimental design with three treatments and four replications was elaborated. Treatments were aimed at quantifying the influence of the type of work organ geometry and steel. Statistical analysis was carried out using STATGRAPHICS Centurión XV software. The results showed that mass loss in G-60 steel reached average values of 79.81 and in CT-3 steel of 304.02 g. On the other hand, the chisel and rectangular organs reached average values of 180.3 and 304.02 g, respectively. It was quantified that in only 24 h the lost material volume in the chisel-type organs averaged 17.51 cm³ and in the rectangular ones, 34.96 cm³. Finally, it was found that the loss of mass was dependent on the type of geometry and material.

Keywords: mass loss, wear, abrasive, implement, gravimetric method, work organs.

INTRODUCCIÓN

El desgaste abrasivo es un fenómeno que ha traído grandes pérdidas económicas a nivel internacional, las cuales han superado los 15 mil millones de dólares en países con un alto grado de mecanización de la agricultura Bayhan (2006), Fechete et al. (2014), sin embargo, en Cuba, el siglo pasado esta cifra alcanzó los 200 000 pesos anuales (Martínez y Rodríguez, 1985).

En el desgaste abrasivo de los órganos de trabajo de los aperos de labranza influyen diversos factores entre los que se encuentran: las características del medio (humedad, atmósfera corrosiva, presencia de partículas abrasivas), características de las aperos (materiales, composición química, dureza, dimensiones y geometría, rugosidad superficial, microestructura) y del suelo, condiciones de explotación o de operación (carga aplicada, velocidad, temperatura, tipos de movimiento, tipo de fricción, recorrido de fricción, tiempo de trabajo, profundidad de trabajo) factores organizativos y humanos, entre otros (Martínez y Rodríguez, 1988; Herrera et al., 2010; Jagseer et al., 2017).

Según Herrera et al. (2010) entre los factores que mayor incidencia tienen en el desgaste abrasivo de los órganos de trabajo de los aperos de labranza se encuentran las condiciones de explotación, ya que estas incluyen la naturaleza y tipo de suelo a laborar (medio abrasivo); las condiciones ambientales donde se desarrolla y el régimen de trabajo del apero durante la interacción con el suelo.

En Cuba, entre los suelos de mayor importancia económica se encuentran los Ferralítico Amarillentos, según la Versión Nueva de Clasificación Genética de los Suelos en Cuba (Hernández, 2015) y como Ultrasol, según la USDA Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 2010).

Estos suelos son altamente abrasivos para los aperos de labranza por el alto contenido de cuarzo y perdigones de hierro que presentan.

En la región central de Cuba, específicamente en la provincia de Villa Clara, se localizan gran cantidad de áreas con estos suelos, alcanzando el 10% del total de este suelo, siendo una de las más representativas en Cuba. Dentro de estas en la zona de Manacas se ubica uno de los mayores sectores de producción hortícola del país, en el cual las labores están totalmente mecanizadas.

En estas zonas uno de los principales problemas asociados al empleo de medios mecanizados es el acelerado desgaste de sus órganos de trabajo, debido a que se emplean materiales inadecuados, así como métodos de fabricación que no garantizan la calidad de los mismos. A esto se le suman los prolongados períodos de parqueo y conservación a intemperie a los que estos órganos son sometidos, donde la aparición de los procesos de oxidación-corrosión en las superficies de trabajo acrecientan esta problemática (Martínez y Rodríguez, 1987; Herrera et al., 2010).

Tomando en cuenta lo anterior, se decide realizar el presente trabajo que tiene como objetivo: determinar el efecto de la geometría y el tipo de material en el desgaste de los aperos de labranza.

MÉTODOS

La investigación se realizó en áreas de la Empresa de Cultivos Varios de Manacas (Figura 1a), perteneciente al municipio de Santo Domingo, provincia de Villa Clara, entre los meses de enero y abril del 2013. Se empleó un conjunto conformado por el tractor Belarus de nacionalidad rusa, marca Yumz-6M, con 14 kN de potencia y un arado de cinceles (Tiller) con brazos rígidos, de 11 órganos de trabajo (Figura 1b).

El suelo donde se realizó el experimento de desgaste se clasifica como un suelo Ferralítico Amarillento, según la Versión Nueva de Clasificación Genética de los Suelos en Cuba (Hernández, 2015) y como Ultrasol, según la USDA Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 2010). El mismo está caracterizado como un suelo altamente abrasivo. Los constituyentes y las propiedades físicas de este suelo se muestran en la Tabla 1.

Metodología para la determinación experimental del desgaste abrasivo

El desgaste de los órganos de trabajo se determinó mediante el método gravimétrico, consistente en relacionar la pérdida de masa con la pérdida de material, por lo que antes de iniciar las pruebas los elementos cortantes (rejas) de los órganos de trabajo se lavarán, secarán y pesarán para conocer su peso inicial. El pesaje se realizó con una balanza de 10 ± 0,01 kg de precisión.

Para dichos fines se confeccionó un diseño experimental con tres tratamientos y 4 réplicas. Los tratamientos (T1 y T2) estuvieron dirigidos a cuantificar la influencia del tipo de material sobre la pérdida de masa, y los tratamientos (T1 y T3) para cuantificar la influencia del tipo de geometría en la pérdida de masa (Tabla 2). La velocidad de trabajo del tractor fue 7,38 km^.h^-1, la profundidad de trabajo de 15 cm y el tiempo del experimento fue 24 horas de trabajo limpio del tractor.

Para la realización del experimento de desgaste se seleccionaron órganos de trabajo (Figuras 2 y 3) de acero CT-3 con una dureza de 110 HB, y el acero G-60, con una dureza de 165 HB. En ambos casos la rugosidad superficial fue de 12,5 mm, y sin tratamiento térmico. La composición química de estos materiales se muestra en la Tabla 3.

Metodología para el procesamiento estadístico de los resultados

El procesamiento estadístico de los resultados experimentales se realizó con el Software STATGRAPHICS Centurión XV, recurriéndose al análisis de comparación de medias y pruebas de Kolmogorov-Smirnov, con el propósito de encontrar las relaciones existentes entre las variables en estudio con un nivel de confianza de 95%. La prueba de Kolmogorov-Smirnov se realiza para comparar las distribuciones de las dos muestras.

Como variables de control se determinaron las condiciones del suelo, de forma que se garantizara que fueran homogéneas en cada experimento. La determinación del contenido de humedad del suelo se realizó mediante el método gravimétrico, consistente en pesar la muestra de suelo antes y después del proceso de secado. Dicho experimento se realizó según los procedimientos de la NC: 67 2000. La determinación de la densidad del suelo se realizó mediante el método de los anillos de Kopecky, para el cual se empleó un cilindro de 70 mm de alto por 70 mm de diámetro, y un volumen total de 244 cm³, procedimiento que se ajusta a las normativas establecidas en la NC 34-47: 2003.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados de la determinación del desgaste en condiciones de trabajo

Influencia de la geometría del órgano de trabajo en la pérdida de masa. Los resultados experimentales mostraron una tendencia al aumento de la pérdida de masa en la medida que aumentó el tiempo de explotación y la distancia recorrida por los mismos, alcanzando valores totales de 180,3 y 304,02 g para los órganos tipo cincel y rectangulares, respectivamente (Figura 4). Los órganos rectangulares mostraron mayor desgaste debido a que poseen mayor área de contacto o enfrentamiento con el suelo en la zona del filo. Este comportamiento fue reportado con anterioridad por Ucgul et al. (2015) y Kostencki et al. (2016).

La prueba de Kolmogorov-Smirnov mostró que existe una iferencia estadísticamente significativa entre las dos distribuciones con un nivel de confianza del α= 95,0%. Por su parte, el análisis de comparación de medias mostró una diferencia estadísticamente significativa (P<0,05) entre la pérdida de masa de los órganos tipo cincel con respecto a la de órganos rectangulares, con un nivel de confianza α= 95,0% (Figura 5).

Influencia del tipo de material del órgano de trabajo en la pérdida de masa. Para este caso los resultados experimentales mostraron (Figura 6), una tendencia al aumento de la pérdida de masa del órgano con relación al tiempo de trabajo y la distancia recorrida por el mismo (Figura 6), exhibiendo el acero G-60 valores de pérdida de masa de 79,81 g y de 304,02 g en el acero CT-3. Lo anterior se debe a que el acero G-60 posee mayor dureza que el acero CT-3. Esta misma tendencia fue encontrada por Er y Par (2006), Kang et al. (2014), Bialobrzeska y Kostencki (2015), Singh et al. (2017), Ucgul et al. (2017al comparar diferentes materiales.

De particular interés es el valor-P aproximado para la prueba. Debido a que el valor-P es menor que 0,05, existe una diferencia estadísticamente significativa entre las dos distribuciones con un nivel de confianza del 95,0%.

Variación de la geometría y dimensiones de los órganos de trabajo. La determinación de la variación de la geometría y dimensiones de los órganos objeto de estudio mostró, que a las 24 h de trabajo limpio del apero los órganos de trabajo pierden sus características geométricas iniciales, es decir se pierde el filo y los ángulos de inclinación de los bordes cortantes (Figuras 8c, 8d, 8g, 8h), comportamiento similar el encontrado por Bayhan (2006), pero en mayor intervalo de tiempo de trabajo. (Fechete et al., 2014; Ucgul et al., 2015; Kostencki et al., 2016; Wang et al., 2016; Sun et al., 2018). Se cuantificó que el volumen de material perdido en los órganos tipo cincel fue 17,51 cm³ como promedio y en los rectangulares 34,96 cm³.

La cantidad de material perdido en ambos tipos de órganos producto de la acción del desgaste, fue equivalente a la pérdida del 50% del área total de los órganos en 24 horas de trabajo limpio (Figura 8). Estos resultados permiten estimar que a ese ritmo de desgaste para el órgano tipo rectangular sólo bastarán 48 h de trabajo limpio del apero para la pérdida total de la superficie de trabajo en la zona de enfrentamiento con el suelo, mostrando la naturaleza altamente abrasiva de este suelo en estudio.

El análisis de los efectos del desgaste en la geometría y dimensiones en los órganos de trabajos de diferentes materiales, mostró una pérdida del 50% de la masa total en las primeras 24 h de trabajo limpio para el acero CT-3, deformándose completamente su geometría (Figura 9c y 9d), lo cual se debe a la poca dureza.

Para el acero G-60, la masa total perdida producto al desgaste equivalió a 10,64% de la masa nominal de los órganos de trabajo. Este resultado permitió estimar que a este ritmo de desgaste las rejas de este material perderán el 50% de su masa total a las 150 h, extendiendo de esta forma su vida útil con respecto al acero CT-3.

CONCLUSIONES

• Se estima que en estas condiciones de experimentación los órganos de trabajo rectangulares de acero CT-3 pierdan la superficie de trabajo total en 48 h de trabajo limpio y el acero G-60 en 150 h de trabajo limpio; Los resultados de los análisis estadísticos mostraron que tanto los tipos de geometrías como los tipos de materiales empleados en los experimentos tienen alta influencia en la pérdida de masa de los órganos de trabajo.

NOTA

La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

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Recibido: 20/07/2017

Aceptado: 22/12/2017

Ángel Lázaro Sánchez Iznaga, Profesor Auxiliar, Director del Centro de Estudios para la Transformación Agraria Sostenible (CETAS), Coordinador Provincial del eje Monitoreo y Evaluación (PIAL), Universidad de Cienfuegos, Facultad de Ciencias Agrarias. Cuatro caminos, carretera a Rodas km 3 1/2, CP 59430 Cienfuegos, Cuba. E-mail: alsanchez@ucf.edu.cu