4.1 INTRODUCCIÓN
El suelo tiene propiedades físicas como lo son: textura, estructura, porosidad, peso, color, profundidad-estratificación, expansión-contracción, capacidad de arraigamiento, drenaje y almacenamiento de agua, aireación, temperatura y capacidad de soporte.
Las anteriores son llamadas propiedades primarias, algunas están relacionadas entre si (porosidad se relaciona con textura y estructura), pero la combinación de estas determinan las propiedades dinámicas que se manifiestan cuando penetra la herramienta de labranza en el suelo.
Desde un punto de vista de ingeniería se consideran las siguientes propiedades físicas: permeabilidad, compresibilidad, deformación, resistencia al corte, abrasividad, cohesión y adhesión.
Todas estas características afectan la interacción entre una herramienta de labranza (apero) y el suelo, es por esto que la mejor forma de probar una herramienta de labranza es en el suelo en cuestión para el cual fue diseñada, desgraciadamente esto no se hace en México y por ello generalmente se invierte tiempo y energía de más en el laboreo de la tierra sin mencionar que la herramienta se desgasta mas rápidamente de lo normal (ya que no fue hecha para ese suelo).
4.2 UTILIDAD DE LOS CANALES DE PRUEBA
Los canales de prueba son de mucha ayuda en el diseño de aperos ya que permiten recrear condiciones muy diversas, como la humedad, la compactación y la temperatura del suelo, sin mencionar que se puede regular tanto la profundidad de trabajo como la velocidad de la herramienta de labranza (apero), estas características hacen del canal una herramienta indispensable para probar los aperos en condiciones mas reales de trabajo (no solo teóricas) y así obtener datos fidedignos que nos permitan decir si el apero será útil o no para un determinado suelo.
El canal de prueba nos permitirá estudiar la interacción herramienta-suelo así como el comportamiento dinámico del suelo.
A continuación se mencionan algunas aplicaciones de los canales de prueba:
• Con el canal de pruebas Raper determinó la fuerza necesaria para deshacer duripanes en dos tipos de suelo del sureste de EU y el total de interrupción en la continuidad del suelo al subsolarlo. Estos duripanes fueron creados artificialmente, para simular condiciones comunes en ambos suelos seleccionados y colocados a una profundidad de entre 0.1 y 0.3 metros. [4.1]
• Johnson y colaboradores estudiaron un fenómeno de reducción de energía necesaria para romper el suelo, haciendo pasar el mismo sobre el ala de la herramienta de labranza. Varias herramientas (3 para ser exacto) fueron colocadas en un armazón el cual a su vez fue montado en el canal de pruebas, para que este último le diera movimiento de traslación a través del suelo estudiado. [4.2]
• Mounem y colaboradores utilizaron el canal para validar los resultados obtenidos por el método del elemento finito (MEF), lo que hicieron fue recrear las características del suelo modelado (controlando su humedad y compactación), y por supuesto se usó una herramienta modelada en MEF y construida para esta prueba. Los resultados obtenidos en la prueba fueron comparados con los calculados en el MEF. [4.3]
• Machado y colaboradores probaron en el canal, como la forma (geometría) de la herramienta afecta a las fuerzas que se producen en ella durante la interacción con el suelo, para esto se recreó un suelo dentro del canal (se colocó por capas las cuales fueron compactadas y niveladas individualmente), montaron diferentes herramientas en el canal y se midieron las fuerzas generadas sobre ellas, observando que para el mismo suelo y diferentes geometrías de herramientas, variaban las fuerzas generadas sobre estas, concluyendo que la geometría de la herramienta influye y de manera muy importante en la interacción con el suelo. [4.4]
Como se puede observar en los artículos mencionados anteriormente, la versatilidad de los canales es enorme y sirvieron para probar o comprobar cuestiones muy diferentes entre si.
4.3 TIPOS DE CANALES DE PRUEBA
Los canales varían en tamaños o en finalidades, existen algunos para probar el agarre de llantas sobre el suelo, otros que miden compactación del suelo debido al paso de maquinaria sobre el mismo (los de John Deere), otros para observar la interacción entre la herramienta y el suelo (el de UNISA), etc.
Como se explica en los artículos (punto 4.2) los canales de prueba son de diferentes tamaños y presentaciones, algunos son enormes (más de 25 metros de largo como el de USDA-ARS, figura 4.1) y otros son miniaturas como el de UNISA (Univesity of South Australia) mostrado en la figura 4.2 de solo 1 metro de largo y con un lado transparente, este sirve para observar las interacciones entre el suelo y la herramienta y grabarlas en video para su posterior análisis.
4.4 CRITERIO PARA LAS DIMENSIONES DEL CANAL
El canal propuesto debe ser capaz de trabajar con una herramienta de labranza de hasta 30 cm de ancho y una profundidad de trabajo de hasta 20 cm con una velocidad máxima de 0.8 m/s.
Existe un articulo en el cual se hace una consideración para evitar efectos de limite en estudios de herramientas de labranza (Onwualu, 1991), el cual dice que el espacio libre entre la herramienta y los limites que contienen el suelo depende del ancho de la herramienta y la profundidad de trabajo, este se ve mejor en la figura 4.3. [4.5]
Basándome en esto se propone un ancho de 45 cm y una profundidad de 35 cm para el contenedor (caja del canal), falta tomar en cuenta la altura a la que estará el carro sobre el cual se va a montar la herramienta, esto se verá en el capitulo 5.
El largo del canal queda a mi consideración y propongo una distancia de recorrido de 2.3 m, este tipo de decisiones generalmente se toman en base al espacio disponible del lugar donde se colocará el canal o bien a la distancia que se desea observar (digamos que la herramienta avanza y hasta que alcanza la velocidad deseada se empieza a medir el recorrido y se deja de hacerlo cuando comienza a frenar).
Figura 4.3 Estimaciones de las dimensiones del canal dependiendo de la herramienta
La estructura se hará con perfiles cuadrados y se forrará con lámina, esto para hacerlo ligero y ahorrar lo mas posible en su construcción.
Los movimientos de la herramienta (a lo largo del canal y para regular la profundidad) se realizarán por medio de motores de C.A., los cuales serán controlados por un variador de frecuencia y este a su vez por un ordenador.
La medición de las fuerzas en la herramienta será por medio de rosetas. La humedad y la temperatura se medirán por medio de un sensor SMS3.
Ancho de
herramienta Espacio libre
Profundidad de trabajo
4.5 REFERENCIAS:
[4.1] Randy L. Raper, 2002. Force Requirements and Soil Disruption of Straight and Bentleg Subsoilers for Conservation Tillage Systems. ASAE.
[4.2] Clarence E. Johnson1, Eddie C. Burt2, John E. Morrison3, Alvin C. Bailey2, Thomas R. Way2. 2001. Energy Reduction in Sweep Tillage Systems. ASAE.
[4.3] Abdul Mounem Mouazen1, Miklós Neményi1, Helmut Schwanghart2, Martin Rempfer2. 1999. Tillage Tool Design by the Finite Element Method. Filsoe Research Institute.
[4.4] Machado, Antônio Lilles T.1 ; CHANG, Cheu-Shang.2. 1996. Influência da geometria no desempenho de ponteiras aladas de escarifiadores. Rev. Bras. de Agrociência.
[4.5] Liu Jude, Lobb David A., Chen Ying. 2002. Innovative desing features of a soil bin to facilitate research on soil-tool interaction. ASABE.