CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UN BANCO DE
PRUEBAS PARA LA TOMA DE FUERZA DE
MOTOCULTORES
TESIS PROFESIONAL
QUE COMO REQUISITO PARCIAL PARA
OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO AGRÍCOLA
PRESENTA:
FERNANDO GABRIEL GUTIÉRREZ
DIRIGIDO POR:
M.C. PEDRO CRUZ MEZA
M.I. JUAN G. OCHOA BIJARRO
CHAPINGO, MÉXICO, ABRIL DE 2011
i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL ... i ÍNDICE DE TABLAS ... iv ÍNDICE DE FIGURAS ... v RESUMEN ... vii SUMMARY ... viii INTRODUCCIÓN ... ix ANTECEDENTES y JUSTIFICACIÓN ... xi
OBJETIVO GENERAL ... xiii
OBJETIVOS PARTICULARES ... xiii
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ... 1
1.1. PRODUCCIÓN Y COMERCIALIZACIÓN DE MOTOCULTORES ... 1
1.2. SITUACIÓN DE LA SUPERFICIE AGRÍCOLA EN MÉXICO ... 2
1.3. CARACTERÍSTICAS DE MOTOCULTORES ... 3 1.3.1. Frenos ... 4 1.3.2. Diferencial ... 5 1.3.3. Las ruedas ... 6 1.3.4. La Ergonomía ... 7 1.3.5. La seguridad ... 8
1.3.6. Diferencia entre motor de gasolina y diesel de un motocultor ... 11
1.3.6.1. Motores de gasolina ... 11
1.3.6.2. Motores diesel ... 12
1.3.7. Rentabilidad del uso del motocultor ... 12
1.4. IMPORTANCIA DE PRUEBAS EN MOTOCULTORES ... 15
1.4.1. Tipos de ensayos ... 16
1.4.2. Prueba de potencia en motores ... 17
ii
1.5. BANCO DE PRUEBAS ... 20
1.5.2. Tipos de frenos dinamométricos ... 24
1.5.3. Curvas características de los frenos dinamométricos... 29
1.5.4. Freno eléctrico ... 31
1.5.4. Controlador eléctrico ... 32
1.5.5. Transductor de par dinámico. ... 33
2. SISTEMAS DE NORMAS UTILIZADOS ... 34
3. MATERIALES Y MÉTODOS ... 38
3.1. PROCESO DE DISEÑO ... 38
3.1.1. Identificación del problema ... 38
3.1.2. Propuesta de diseño ... 38
3.2. CONSTRUCCIÓN ... 41
3.2.1. Estructura del mueble ... 42
3.2.2. Sistema de levante ... 45
3.2.3. Base para el dinamómetro (medidor de par) ... 46
3.2.4. Cople ... 47
3.2.5. Freno eléctrico ... 48
3.2.6. Torquímetro ... 51
3.2.7. Unión del cardan con el motocultor ... 51
3.2.8. Costos de construcción ... 52
3.3. VALIDACIÓN DEL BANCO ... 54
3.3.1. Calibración del torquímetro ... 54
3.3.2. Método de prueba ... 55
3.3.2.1. Condiciones generales de la prueba ... 55
3.3.2.2. Repetición de la prueba ... 57
3.3.3. Asentamiento y ajustes preliminares ... 59
iii
3.3.5. Combustibles y lubricantes ... 60
3.3.6. Consumo de combustible ... 61
3.3.7. De la toma de fuerza principal ... 61
3.3.8. Con cargas variables ... 62
3.3.9. Medidas relacionadas ... 62
3.3.10. Procedimiento analítico del cálculo de potencia ... 63
4. RESULTADOS ... 64
4.1. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO ... 64
4.2. EVALUACIÓN DEL BANCO ... 65
CONCLUSIONES ... 70
RECOMENDACIONES ... 70
BIBLIOGRAFÍA ... 71
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. 1. Potencia y peso de motocultores y motoazadas... 11
Tabla 1. 2. Diferencias de capacidad de trabajo y tiempos necesarios entre un tractor y un motocultor ... 15
Tabla 1. 3. Comparativa entre frenos ... 29
Tabla 3. 1. Costos de material usado en la construcción del banco ... 53
Tabla 4. 1. Características del banco de pruebas ... 64
Tabla 4. 2. Dimensiones y masa del motocultor MKT-11195N ... 65
Tabla 4. 3. Dimensiones y masa del motocultor MKT-95190N ... 65
Tabla 4. 4. Dimensiones y masa del motocultor MKT-151100 ... 65
Tabla 4. 5. Consumo de combustible en [l/h] ... 66
Tabla 4. 6. Medidas relacionadas durante la prueba ... 66
Tabla 4. 7. Condiciones atmosféricas durante la prueba de potencia ... 66
Tabla 4. 8. Resultados de potencia del motocultor MKT-95190N ... 67
Tabla 4. 9. Resultados de potencia del motocultor MKT-11195N ... 68
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Partes importantes del Motocultor ... 4
Figura 1.2. Motocultor, protección ... 8
Figura 1.3. Potencia bruta en el volante del motor ... 18
Figura 1.4. Potencia neta en el volante del motor ... 19
Figura 1.5 Potencia útil medida en la toma de fuerza... 19
Figura 1.6. Freno de Prony ... 25
Figura 1.7. Sección de un freno hidráulico ... 26
Figura 1.8. Sección de un freno electromagnético ... 27
Figura 1.9. Curva característica de frenos hidráulicos ... 30
Figura 1.10. Curva característica de frenos electromagnéticos ... 31
Figura 1.11. Eje con freno ... 31
Figura 1.12. Controlador de frenado ... 32
Figura 3. 1. Estructura del banco ... 39
Figura 3. 2. Vistas principales de la estructura ... 39
Figura 3. 3. Diseño del soporte del mecanismo de medida de torque ... 40
Figura 3. 4. Vista superior de la estructura de levante ... 40
Figura 3. 5. Altura mínima y máxima a la que el banco puede conectarse al motocultor ... 41
Figura 3. 6. Estructura de la carcasa del banco de pruebas... 42
Figura 3. 7. Soldado de la estructura ... 43
Figura 3.8. Puerta izquierda del banco ... 43
Figura 3. 9. Cubierta de triplay y objetos sobre el tablero (A, B, C, D) ... 44
Figura 3. 10. Soportes para la colocación del triplay ... 44
Figura 3. 11. Mecanismo de levante y componentes ... 45
vi
Figura 3.13. Placa de acero ... 47
Figura 3.14. Placa redonda ... 47
Figura 3.15. Parte tubular del cople ... 48
Figura 3.16. Punta de eje con freno eléctrico ... 48
Figura 3.17. Freno eléctrico ... 49
Figura 3.18. Controlador de freno ... 49
Figura 3.19. Aparatos eléctricos del banco ... 50
Figura 3.20. Torquímetro ... 51
Figura 3.21. Unión del banco con el motocultor mediante el cardan ... 52
Figura 3.22. Calibración del torquímetro. ... 54
Figura 3. 23. Motocultor MKT-11195N ... 55
Figura 3. 24. Motocultor montado sobre una base y listo para la prueba ... 56
Figura 3. 25. Nivelación del Motocultor ... 56
Figura 3. 26. Tacómetro digital ... 57
Figura 3. 27. Medición de temperatura del aceite y del combustible ... 58
Figura 3. 28. Controlador de freno ... 58
Figura 4. 1. Estructura completa del banco de pruebas ... 64
Figura 4. 2. Grafica de potencia y torque del motocultor MKT-95190N ... 67
Figura 4. 3. Grafica de potencia y torque del motocultor MKT-11195N ... 68
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RESUMEN
México es un país que esta en desarrollo de mecanización y en este camino va importando maquinaria de diferentes países. Una de estas máquinas son los motocultores, que para poder comercializarse en el mercado, es indispensable conocer sus características tanto funcionales como técnicas. Tal como se realizan pruebas de certificación a los tractores agrícolas, los motocultores también deben ser evaluados.
La realización de pruebas a las máquinas agrícolas tiene como objetivo la reafirmación de las especificaciones técnicas que los fabricantes reportan en sus manuales técnicos.
Una prueba importante que se debe realizar al motocultor es medir la potencia a la toma de fuerza. Esto debido a que existen implementos accionados por la toma de fuerza y la potencia requerida por estos implementos, es muy importante, debido a que el rendimiento en las labores agrícolas esta relacionado con la capacidad de la máquina. Por lo que en el momento que se compra un motocultor, se debe conocer si la potencia proporcionada por éste será la adecuada para el implemento.
Fue por ello que se decidió hacer la construcción y evaluación de un banco para medir la potencia a la toma de fuerza de los motocultores. Debido a que no existen bancos pequeños para ciertas máquinas, como lo hay para los tractores agrícolas.
La validación del banco de pruebas, consistió en conectar un motocultor al banco, y comparar los resultados de potencia obtenidos, con los del fabricante. La capacidad del banco para medir la potencia de los motocultores es hasta una potencia de menor e igual 19 Hp. El banco tiene la capacidad para evaluar motocultores de diferentes potencias y diferentes alturas a la toma de fuerza.
viii
SUMMARY
Mexico is a country that this in development of mechanization and in this way is imported machinery from different countries. One of these machines is the two wheel tractors, that in order to marketed in the market; it is essential to know their characteristics functional and techniques.
The testing of mechanical machines are aimed at the reaffirmation of the technical specifications that manufacturers report their technical manuals.
An important test to be performed on the two wheel tractors is measure the power at the PTO (Power Take-Off).This is because there are implements powered by the PTO and the power required by these implements, it is very important, because the performance in farming depends on the ability of the machine.So when you buy a two wheel tractor, you should know if the power provided by this will be adequate for the implement.
Was it to be decided to make the construction and evaluation of a bank to measure the power at the PTO (Power Take-Off) of the two wheel tractors. Because there is no small banks for certain machines, as there is for agricultural tractors.
The validation of the testing bench was to connect the two wheel tractor to the bank, and compare the results obtained power with the manufacturer. The bank's ability to measure the strength of the two wheel tractor is to a lesser and equal power 19 Hp. The bank has the capacity to assess pedestrian-controlled the two wheel tractors of different power and different heights of PTO.
ix
INTRODUCCIÓN
El motocultor es un vehículo especial autopropulsado, de un eje, dirigible con manceras por un conductor que marcha a pie, sobre la que se puede acoplar alternativamente varios implementos. Ciertos motocultores pueden, también, ser dirigidos desde un asiento incorporado a un remolque o máquina agrícola o a un implemento o bastidor auxiliar con ruedas, están compuestos por un chasis robusto donde van ubicados los elementos de la transmisión y sobre el cual va montado un motor y un manillar con sus comandos.
Este dispositivo constituye un elemento básico de trabajo en las explotaciones de poco tamaño, y en las de mayor tamaño, un valioso elemento auxiliar. Su diseño, dimensiones y versatilidad lo convierten en imprescindibles para las explotaciones hortofrutícolas y vitícolas.
En México los motocultores han tenido un gran auge debido a que de manera general los terrenos agrícolas son pequeños, lo cual hace impráctico utilizar tractores, incluso de categoría I y II, lo cual no hace rentables a los tractores.
El problema mas común al que se enfrentan los productores es la maleza para lo cual utilizan herbicidas, dañando con esto el medio ambiente, este problema de degradación del medio ambiente, puede ser sustituido con la utilización de métodos mecánicos, y considerando que la principal herramienta del motocultor es el rotovator, que puede cortar la maleza e incorporarla como abono para el suelo (Teorema ambiental, 2002).
En el país existe información muy escasa sobre los motocultores, en cuanto a su seguridad, facilidad y adaptabilidad, es por esto trascendente la realización de investigaciones que proporcionen información al respecto de estas máquinas generando normas y métodos de prueba.
El término prueba es normalmente usado en conexión con un análisis del comportamiento de una máquina comparado con estándares bien definidos bajo condiciones ideales y repetibles, en contraste, evaluación es la medición del rendimiento de la máquina bajo condiciones reales de trabajo (Smith et al., 1994).
x
Entre los múltiples propósitos que tienen las pruebas, se pueden mencionar: controlar la calidad del producto, ofrecer a los productores criterios o referencias para la selección de sus equipos, proporcionar apoyo a los fabricantes para el desarrollo y mejoramiento de la maquinaria, verificar la seguridad en la operación de la maquinaria para la prevención de accidentes y establecer acciones contra posibles problemas ambientales (Jiménez et al., 2004).
La estandarización permite que las máquinas de características semejantes puedan trabajar en condiciones similares, es por esto que se requiere generar información sobre estos dispositivos, que permita, establecer bases para evaluaciones futuras y procedimientos de evaluación que brinde la oportunidad de caracterizar a los motocultores, logrando con esto un estándar cada vez mayor y permitiendo la intercambiabilidad de implementos en diferentes marcas de motocultores y accesorios, así como garantizar que la máquina sea segura y práctica de operar así también que la información proporcionada por el fabricante sea verídica.
Esto nos permite obtener una mejor descripción del motocultor respecto a los implementos que se les añaden para su uso, en las condiciones del campo mexicano, debido a que la mayoría de los motocultores del mercado mexicano son de origen externo, por lo que durante su fabricación pudieron haber sido evaluados lo que difiere en las condiciones de el país.
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ANTECEDENTES y JUSTIFICACIÓN
En México los motocultores han tenido un gran auge, debido a sus características y fácil adaptación a los terrenos mexicanos. Por otro lado no existe la producción de motocultores en el país, sin embargo existe la comercialización de estos, por medio de negociantes quienes importan los motocultores de los países que los producen, algunos ejemplos de países son China, España y la India.
En los últimos años en México se ha incrementado de manera considerable la importación de motocultores, por lo cual, es necesario mantener un control sobre la calidad, seguridad y adaptación que presentan estos equipos.
Hoy en día se le ha dado una gran importancia a los motocultores debido a que en el país predominan los campos pequeños en los cuales resulta poco práctica utilizar tractores de altas potencias, inclusive categoría I y II. Los productores mexicanos requieren maquinaria acorde a sus necesidades, fácil de utilizar en cualquier terreno y época del año y, sobre todo, con un bajo costo.
Considerando lo anterior, se hace necesario contar con información al respecto de diferentes características de los motocultores, esto a fin de proporcionar al usuario de la maquinaria información verídica y generada en el país, tomando en cuenta las características y normas especificas de México. Así mismo la información de estos trabajos puede ser usada para decidir las importaciones de motocultores para asegurar la calidad y servicios al usuario y la información arrojada por las pruebas puede ayudar, a los usuarios de una máquina, a analizar cada uno de los parámetros que fueron medidas y calculadas, para así considerarlos durante su selección.
Una prueba muy importante que se debe realizar al motocultor es la potencia a la toma de fuerza (PTF), este tipo de prueba se realiza a tractores agrícolas en el Centro Nacional de Estandarización de Maquinaria Agrícola (CENEMA), la cual permite conocer el rendimiento del motor respecto al implemento, ya que
xii
permite dar una reseña de que cantidad de potencia proporcionada del motor, es utilizada por el instrumento y esto se vera caracterizada en la producción
El adquirir una máquina con una potencia diferente a la que indica el fabricante, resulta en un problema que radica en el acoplamiento de diferentes implementos que requieran una potencia especifica y no este de acuerdo con el motocultor, por ejemplo más potencia de la que el motocultor es capaz de proporcionar, repercute en el rendimiento, consumo de combustible y deterioro de la máquina.
En México, existen formas de obtener la potencia que generan las máquinas autopropulsadas y de tractores, esto se realiza haciendo uso de un banco de pruebas, sin embargo estos bancos son demasiado grandes y están diseñados especialmente para maquinaria de elevada potencia, es por ello que es difícil medir la potencia a la toma de fuerza (PTF) de los motocultores.
En México no existen bancos que nos permitan realizar pruebas de potencia a los motocultores, por lo que es indispensable contar con uno, es por ello que se realizara la construcción y evaluación de dicha máquina.
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OBJETIVO GENERAL
Construir y evaluar el banco de pruebas para toma de fuerza de motocultores de hasta 20 Hp.
OBJETIVOS PARTICULARES
1. Construir el banco de pruebas de bajo costo y con materiales de fácil acceso en el mercado.
2. Construir un banco de pruebas fácil de operar y de ajustar de acuerdo a los motocultores
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. PRODUCCIÓN Y COMERCIALIZACIÓN DE MOTOCULTORES En los últimos años, el gobierno ha implementado una serie de programas para apoyar la compra de maquinaria agrícola para los productores, ofreciéndoles créditos.
En 2006 en Zacatecas, por ejemplo se puso en marcha un programa mediante el cual, por medio del distrito, los productores interesados en adquirir tractores, motocultores y fresadoras, tuvieran la posibilidad de inscribirse en un padrón que les permitiera obtener la maquinaria a mitad de costo con el apoyo de los gobiernos estatal, federal y municipal (Hernández, 2006).
El estado de Morelos también tuvo el Programa Apoyos a Proyectos de Inversión Rural (PAPIR), mediante el cual se ha logrado la compra de varios equipos agrícolas con una inversión total de $ 5 138 299 pesos, para beneficio de 382 productores, y entre estos equipos se encuentran 66 motocultores (Secretaria de Desarrollo Agropecuario, 2008).
Mediante el PROGRAMA DE ALIANZA PARA EL CAMPO en el estado de Michoacán se ha apoyado a diferentes productores en la compra de equipos, incluyendo 64 motocultores. Con este tipo de apoyos se logró el beneficio de 2500 productores pertenecientes a 450 localidades de 88 municipios del estado (Alianza para el Campo, 2008)
Las importaciones de motocultores en 2006 tienen su origen principal (95%) en Italia y Suiza. También hay importaciones de China, Brasil y la India. (Instituto Valenciano de la Exportación, 2006). De India se puede mencionar que cuenta con dos empresas que fabrican motocultores y de los principales equipos que China ha logrado colocar en el mercado internacional son: motocultores, partes de maquinaria y tractores.
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1.1.2. Distribuidores de motocultores en México
En el país existen varias empresas que se dedican a comercializar motocultores, entre las cuales destacan:
- Concesionaria Reyes Salcedo, S.A. de C.V. (Coresa) - Equipos y Plásticos para Invernadero, S.A. de C.V.
- Maquinaria y Herramientas Profesionales de Zamora S.A. de C.V. - Representaciones y Servicios Hi-CA, S.A. de C.V.
- Servicios Técnicos Profesionales - Meka-tech
- Swissmex-rapid, S.A. de C.V. - Active Co S.A de C.V
Y las marcas principales de motocultores que se comercializan en México son:
BSC PASCUALI KÖPPL HUSQVARNA HONDA GRILLO BELARUS GOLDONI MEKA-TECH
1.2. SITUACIÓN DE LA SUPERFICIE AGRÍCOLA EN MÉXICO
En México tras el reparto de tierras después de la revolución, llevo a la reducción de superficie por personaje, al irse dividiendo generación tras generación. Es por esto que en la actualidad en el campo mexicano, los promedios de superficie parcelada a nivel nacional, en los ejidos, es de 9 ha, en las comunidades, 6,6 ha.
Se presenta una gran fragmentación de la tierra, ya que se registra un promedio a nivel nacional de 2 parcelas por sujeto, el promedio de superficie por parcela en todo el país se observa un promedio de 3,24 ha. Respecto al tipo de tenencia de tierra predomina el minifundio, mientras que en el país, la
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mitad de ejidatarios, 77% de comuneros y 62% de los propietarios privados tiene predios menores a 5 ha (Procuraduría Agraria, 2004).
Ante los datos anteriormente presentados, del tamaño de las parcelas, un tractor tradicional representa una inversión no rentable para muchos productores agrícolas. Por lo que en el proceso de mecanización se ha optado por el uso del motocultor, un equipo mediano de alta maniobrabilidad que realiza tareas en terreno abierto, bajo invernadero o en tierras donde el grado de inclinación dificulta introducir maquinaria convencional.
Uno de los principales problemas a que se enfrentan los agricultores en sus terrenos de cultivo es el crecimiento de malezas, que se han venido controlando principalmente con herbicidas o compuestos químicos que contaminan y deterioran agua, suelo y aire. El motocultor, con su principal elemento básico que es el rotovator, permite hacer un control mecánico de todo tipo de malezas, que va incorporando al terreno como fertilizante orgánico. Esto evita la práctica de quema. Paralelamente se pueden aplicar cal o fertilizantes orgánicos o naturales al terreno. Sin embargo tiene un diseño tal que puede ser usado para cultivo en tierra blanda. Labra, rastrea, cultiva y con una roto trilladora, cosecha entre surcos verduras de raíz, chapea, recorta y poda. Efectúa trabajo estacionario que requiere una toma de fuerza. El motocultor tiene mediana potencia y fuerza de motor dirigidas para labores hortícolas y de ornamento; puede trabajar en terrenos fuertes, pero se usa preferentemente en construcción de jardines e invernaderos.
1.3. CARACTERÍSTICAS DE MOTOCULTORES
Los motocultores, están dotados básicamente de: los manubrios, un motor, un eje motriz, toma de fuerza y un apero para desarrollar la labor deseada (figura 1.1). Su potencia no suele superar los 19 hp. (Instituto de Seguridad y Salud Laboral, 2009)
4 Figura 1.1. Partes importantes del Motocultor
Debido a su tamaño y versatilidad es una máquina utilizada para explotaciones hortofrutícolas y vitivinícolas de pequeño tamaño y tiene una fuerte implantación en las huertas, realizando distintas tareas como arar, roturar, aporcar, arrancar malas hierbas, etc.
El manejo del motocultor es sencillo, situándose el trabajador detrás del apero que acople al motocultor sujeta las manceras y, una vez puesta en marcha la máquina, avanza hacia delante realizando la labor agrícola deseada.
La puesta en marcha del motocultor puede ser de distintas formas dependiendo del modelo y su antigüedad. En los más modernos la puesta en marcha se lleva a cabo actuando sobre un pulsador. En otros modelos más antiguos el accionamiento se produce por un pedal, una manivela o mediante una cuerda enrollada. (Instituto de Seguridad y Salud Laboral, 2009)
A continuación se describen algunas características principales de los motocultores.
1.3.1. Frenos
Existen muchísimos y muy variados modelos de motocultores, pero solo algunos incorporan frenos. La necesidad de los frenos viene determinada por el tipo de motocultor, así como por el uso y aplicaciones a las que se destina.
Se enumeran de forma breve y concisa algunos casos que determinan su necesidad.
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Será preciso el uso de frenos cuando:
(a) El motocultor se considera de un tamaño medio o superior (10 o más Hp de potencia), ya que debido a su peso y tamaño del rotocultor que incorpora, la maniobrabilidad se verá aumentada con el uso de los frenos.
(b) El motocultor transita por caminos con pendiente, aunque esta sea ligera.
(c) El motocultor realiza continuos giros, ya que actuando sobre el freno de su correspondiente rueda el utilizador podrá realizar las maniobras con mayor comodidad e inclusive realizar giros de un radio mínimo (ej. para girar alrededor del tronco de un árbol, en este caso se acciona el freno de una de las ruedas y el motocultor gira sobre esta). (BCS, 2009)
1.3.2. Diferencial
Se presenta la alternativa de modelos de motocultor con y sin diferencial. Es por ello que se deben dar algunas reglas básicas de su conveniencia pero antes se tiene que definir qué es y cuál es la función del diferencial.
El diferencial es un mecanismo alojado en el interior de la caja de cambios que está formado por distintos engranajes y su misión consiste en permitir diferentes velocidades de giro para cada una de las ruedas. Si la máquina no incorpora diferencial, las dos ruedas del motocultor giran a la misma velocidad como si estuvieran unidas en su transmisión interna en la Caja de Cambios.
En algunos casos se determina la necesidad de incorporar diferencial; no obstante los fabricantes de motocultores por regla general han dotado a sus máquinas con diferencial cuando su tamaño o su uso ya lo requieren, dejando sus restantes modelos sin este mecanismo cuando verdaderamente no se precisa.
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1. No es necesario el diferencial para motocultores ligeros ya que su maniobrabilidad es buena en sí misma. Tampoco lo es para los motocultores que deben transitar por caminos de montaña, ya que si necesitamos parar la máquina sobre terreno en pendiente la ausencia del diferencial hace que ésta se mantenga estática (con diferencial sería imposible que se mantuviera inmóvil).
2. Es totalmente imprescindible el diferencial en motocultores de tamaño medio o superior (10 o más Hp de potencia) porque hace que la maniobrabilidad sea superior y, como se ha explicado anteriormente en el apartado de frenos, ambos mecanismos (diferencial y frenos) se complementan para obtener cualquier tipo de giro sin esfuerzo alguno del utilizador.
3. Por último, es totalmente necesaria la máquina con diferencial cuando ésta se usa con remolque (sin diferencial no giraría).
4. Cuando al desplazarse el motocultor una de las ruedas pisa terreno poco firme, el mecanismo del diferencial puede ocasionar que dicha rueda pierda adherencia y patine, de forma que gire libre y por acción del diferencial la otra rueda quede inmóvil con lo que el motocultor quedaría atascado (seguro que se ha experimentado este fenómeno en alguna ocasión, cuando un coche se ha atascado y observamos como una de sus ruedas gira rápidamente mientras la otra no se mueve).
Todos los motocultores que incorporan diferencial poseen un mecanismo de bloqueo del mismo que puede accionar el usuario a voluntad para anular la acción de éste, obligando a las dos ruedas a dar el mismo número de vueltas y haciendo que la rueda que pisa terreno firme saque al motocultor del atasco. (BCS, 2009)
1.3.3. Las ruedas
En el mercado se pueden encontrar para un mismo modelo de motocultor ruedas de distintas dimensiones, pero en la práctica es suficiente con distinguir dos tipos. Las ruedas de menor diámetro se emplean en los motocultores que
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trabajan con rotocultor, mientras que las ruedas de mayor diámetro se emplean cuando el motocultor se usa con remolque. Cuando se utilizan otros implementos es aconsejable solicitar información al fabricante del motocultor o del apero en cuestión para emplear la rueda más adecuada.
El fabricante del motocultor ofrece para cada modelo el implemento dimensionado acorde a la potencia del mismo. Es importante resaltar que el ancho entre ruedas del motocultor debe ser igual o inferior a la anchura de trabajo del rotovator, ya que de lo contrario la huella de los neumáticos pisaría el terreno trabajado. (BCS, 2009)
1.3.4. La Ergonomía
Cuando se toma en consideración los movimientos involucrados en la actividad diaria del utilizador, y se mejora la interacción con la máquina en términos de eficacia, seguridad y confort, se habla de la ergonomía.
Para que sea la máquina la que se adapta a quién la usa y no al contrario, se debe tener en cuenta algunos aspectos importantes:
Las manceras (manubrios) deben ser regulables en altura para asegurar la posición correcta del utilizador, y lateralmente (ej. para remover el suelo, evitando que el operario pise el terreno que se está trabajando), además de ser reversibles para poder adaptar implementos frontales, tales como una barra de siega. También tienen que estar provistas de algún tipo de sistema anti- vibraciones mediante silent- blocks, ya que la reducción de las vibraciones se traduce en menor fatiga para el utilizador.
Todos los mandos que intervienen en las operaciones habituales (embrague, frenos, cambio de marchas, mando de acción mantenida, etc.) deben estar bien señalizados indicando en cada caso su función para facilitar un correcto uso y situados de forma que sean accesibles y fáciles de usar, evitando gestos incómodos y sobreesfuerzos innecesarios. (BCS, 2009)
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1.3.5. La seguridad
El motocultor es una máquina pionera en el trabajo de las labores agrícolas que en su dilatada vida ha permitido la incorporación de muchos sistemas de seguridad. Algunos de ellos han hecho variar inclusive la arquitectura de la máquina, dado que cualquier órgano en movimiento susceptible de herir al utilizador o a personas próximas se ha protegido mediante carenados, de forma que los elementos en movimiento no pueden alcanzar a personas ni proyectar elementos del terreno sobre éstas. Esto se observa en la figura 1.2 que muestra la protección que deben llevar los implementos que se acoplan en la parte trasera del motocultor que son accionados por la toma de fuerza. Los cuales pueden causar algún accidente en el momento de accionar la reversa del motocultor. (BCS, 2009)
Figura 1.2. Motocultor, protección
La ley establece una serie de requisitos técnicos que deben cumplir los fabricantes de motocultores, condensados en la Norma Europea EN 709/A2:2009. En materia de seguridad, los principales aspectos a verificar son:
(a) El motocultor debe contar con un dispositivo que, en el momento de la puesta en marcha, impida el arranque en el caso de que la caja de cambios no esté en punto muerto y la toma de fuerza no esté
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desembragada (desacoplada), evitando de este modo el accionamiento de la máquina o del apero al arrancar el motor.
(b) Un mando de conexión/desconexión situado en las manceras actúa de forma que la máquina se desplaza y el apero funciona sólo si dicho mando se mantiene pulsado. Si el conductor suelta el mando, un sistema de seguridad motor-stop detiene el avance de la máquina y también el apero.
(c) En ningún caso el rotovator debe funcionar cuando se conecta la marcha atrás
(d) El rotovator debe ir siempre provisto de un revestimiento integral de protección.
(e) Todos los motocultores deben tener un certificado de conformidad.
El motocultor tiene su espacio propio en el parque de las máquinas agrícolas: en la agricultura minifundista y de baja renta; en invernaderos y complementando los tractores convencionales en explotaciones hortofrutícolas.
En la normativa europea sobre maquinaria agrícola, se define motocultor como máquina automotriz concebida para ser conducida a pie y destinada a accionar- y/o arrastrar diferentes equipos de trabajo. EI motocultor puede entenderse, también, como un subgrupo de los tractores agrícolas, con la singularidad de tener un sólo eje de ruedas (tractor monoeje) y ser conducido por manubrios, pero preparado para acoplarle diferentes implementos con los que realizar un variado número de operaciones agrícolas. Es decir que el carácter polivalente del tractor también es típico en los motocultores. (Gracia, 1997)
Si, por el contrario, el diseño de la máquina es para realizar un sólo tipo de trabajo, como por ejemplo: remover el suelo, siembra, transplante, tratamientos, transporte de productos, siega, etc., su denominación como motomáquina debe referirse a esa función única que tiene encomendada, es decir: motoazada, moto-sembradora, moto-transplantadora, carretilla
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(autopropulsada) para tratamientos, carretilla (autopropulsada) para transporte, motosegadora, etc.
La definición que la norma Europea establece para las motoazadas dice, máquina automotriz conducida a píe, con o sin rueda de apoyo, concebida de manera que su eje de propulsión está constituido por fresas o azadas. En algunos modelos el eje de azadas puede sustituirse por un eje de ruedas motrices (aunque carente por ejemplo, de mecanismo diferencial). Además se instalan enganches y tomas de fuerza para poder acoplar diferentes aperos. Este tipo de motoazadas son consideradas motoazadas transformables y se suelen incluir en el grupo de motocultores por su semejanza constructiva y características de empleo.
Es frecuente que los constructores fabriquen al mismo tiempo ambos tipos de máquinas: motocultores y motoazadas transformables, presentándolos como una gama de productos alternativos. Incluso la normativa española y europea las trata conjuntamente, estableciendo cuando proceden las diferencias particulares. Aquí se dará por entendido que los comentarios van también dirigidos a las motoazadas transformables, englobándolas a veces en el término principal de motocultor. (Gracia, 1997)
EI intervalo normal de potencias y pesos de estas máquinas es el que aparece en la tabla 1.1. Normalmente todos los motocultores, Y las motoazadas de más potencia, van equipados con motor Diesel. EI motor de gasolina es frecuente en las motoazadas de potencias menores.
Hay que advertir que las potencias disponibles en el eje de ruedas motrices o en el eje de azadas son muy inferiores a las potencias nominales que se indican por los fabricantes y que se refieren al motor libre.
Suele ocurrir en las comprobaciones y mediciones de potencia en el eje, realizadas en los laboratorios de ensayo, que los valores reales se ven reducidos a la mitad de los que figuran en catálogo.
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Tabla 1. 1. Potencia y peso de motocultores y motoazadas
Máquina Potencia del motocultor, Kw Peso en kilos
Motocultores 7 a 16 100 a 400
Motoazadas(transformables) 3 a 7 50 a 100
Fuente: Gracia, 1997
1.3.6. Diferencia entre motor de gasolina y diesel de un motocultor
Determinar qué tipo de motor debe equipar el motocultor es una de las cuestiones fundamentales y a la vez es la forma de definir el dimensionado de la máquina; en definitiva la potencia necesaria a disposición para el uso a que se destina o la superficie a trabajar. En términos generales, se puede afirmar que para la agricultura se precisan motores de 5 a 8 HP de potencia, ya sean a gasolina o diesel.(BCS, 2009)
Si además de la fresa se deben usar aperos o implementos que requieren de mayor potencia, se puede fijar la potencia límite en 10 HP (es el caso de aperos tales como las barras de siega, los cortacéspedes o las turbinas quitanieves). A partir de 10 HP las potencias se consideran semi-profesionales. (BCS, 2009)
En función del tipo de combustible a emplear, se analiza a continuación los pros y los contras de los motores:
1.3.6.1. Motores de gasolina
Cuentan con un arranque sencillo y con niveles de ruido inferiores a sus equivalentes en versión diesel.
El mantenimiento de un motor de gasolina es muy sencillo y económico. En la práctica, se reduce a la revisión de los filtros del motor y de los niveles de aceite en el cárter.
La gasolina es altamente inflamable, por lo que no se podrá almacenar este combustible en el interior de un edificio. Tampoco permite almacenarse durante
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largos períodos de tiempo. Se considera que a partir de un mes de inactividad la gasolina se degrada, pudiendo generar un alto porcentaje de subproductos que atascan el carburador. (Ante largos períodos de inactividad, una buena práctica consiste en almacenar el motocultor con el depósito y carburador vacíos: este último se vacía dejando el motor en marcha hasta pararse por sí solo después de consumir todo el combustible de su interior). (BCS, 2009)
1.3.6.2. Motores diesel
Si bien es cierto que por sus características los motores diesel son más caros que los motores de gasolina, también se debe valorar bajo el aspecto económico, que el diesel es un combustible más barato que la gasolina. Además, los motores diesel en general duran mucho más que los motores de gasolina. El combustible no es fácilmente inflamable ni explosivo y no sufre degradación alguna con el paso del tiempo, por lo que su almacenaje ofrece ventajas considerables.
El mayor enemigo de los motores diesel es el agua que puede contener el gasóleo. Por esto, se debe prestar especial cuidado a elementos como el tapón del depósito para evitar que pueda entrar agua, ya sea de la lluvia, de una hidrolimpiadora, etc. En ningún caso se empleará gasóleo de tipo calefacción, dado que puede contener un mayor grado de impurezas e incluso agua en suspensión.
El motor puede ser de arranque manual (a cuerda), o bien de arranque eléctrico (a llave). Este último es el mejor sistema, aunque encarece el precio del motocultor. (BCS, 2009)
1.3.7. Rentabilidad del uso del motocultor
Ciertamente, la inversión realizada con la compra de un motocultor es mucho menor que la que corresponde a un tractor de dos ejes cuya potencia aun en los modelos más pequeños, supera en dos o tres veces la medida de los motocultores.
Incluso si se compara el precio por unidad de potencia de los motocultores con el de los tractores convencionales, resulta que esas moto máquinas de un eje,
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conducidas por manubrios, son casi la mitad más baratas: 4678.00 pesos /kW, frente a 8771.25 pesos /kW, en los tractores, por término medio. (Gracia, 1999)
Los costos de amortización, reparación y mantenimiento guardan relación directa con el precio de la maquinaria. Por tanto, es evidente que el costo de utilización de un motocultor debe resultar mucho más económico si se consideran los gastos propios de la máquina. Mientras que para un tractor de 50 kW (65 CV) los costos de utilización, en concepto de amortización, intereses, almacenaje, reparaciones, mantenimiento y combustible pueden estimarse en 233.90 pesos /hora, para un motocultor de 10 kW (13 CV) el costo de utilización por los mismos conceptos apenas supera las 35.10 pesos /hora. Si la potencia guarda una relación 5 a 1 y el costo 7 a 1, parece en principio que la rentabilidad de los motocultores está asegurada y su utilización en pequeñas explotaciones, donde el bajo volumen de trabajo es apropiado a la baja capacidad de estos equipos, debería recomendarse. Además, el riesgo de la inversión de capital es mínimo al tratarse de cantidades inferiores normalmente 58,475.10 pesos. Sin embargo, para completar el análisis falta considerar el costo de la mano de obra. Ciertamente, el costo final de utilización de las máquinas deben incluir los gastos directos de mano de obra para su manejo. En ese sentido, el aumento de los salarios con relación a Ios precios de la maquinaria es un hecho histórico propio del desarrollo económico que, obviamente, da lugar a un cambio radical en los objetivos del empresario. (Gracia, 1999)
Antes era prioritaria la plena ocupación de los equipos agrícolas, para ello era necesario que el tamaño de las máquinas, motrices y operativas, se correspondiera con el tamaño de las explotaciones, de tal manera que el tiempo disponible para realizar las operaciones de campo fuera aprovechado en su mayor parte. Ahora el interés está en conseguir equipos de mayor capacidad, facilitando el aumento deseado en la productividad de la mano de obra, aunque ello implique un excedente de tiempo disponible y, por tanto, pocas horas de utilización de la maquinaria. Por ejemplo, los tractores en
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España tienen una utilización anual que apenas supera las 500 horas, salvo aquellos que se emplean en servicios a terceros y, por tanto, no son exclusivos de una propiedad agrícola.(Gracia,1999)
En definitiva, se buscará en la maquinaria capacidad (tamaño) y calidad de trabajo. Y, por otro lado, se valorará cada vez más la comodidad y seguridad que ofrezca su conducción, control y mantenimiento. Debe reconocerse el esfuerzo que desde hace unos años los fabricantes de motocultores han hecho en el tema de seguridad y ergonomía de sus máquinas. Pero es imposible competir con los avances conseguidos en estos años por los tractores, en sus sistemas de conducción, dirección, transmisión y acoplamiento de aperos. (Gracia, 1999)
Las mejoras ergonómicas y los automatismos suponen generalmente un incremento de precio no proporcional, que el equipo pequeño no puede absorber. El motocultor, no hay que olvidar que es un escalón intermedio en el proceso irreversible hacia una agricultura plenamente mecanizada. Es una alternativa a la tracción animal. Es un sustituto natural de las caballerías y yuntas. Pero el proceso sigue, y el aumento de potencia de las unidades motrices no se detiene.
En la tabla 1.2 se exponen las capacidades de trabajo y los tiempos necesarios empleados por un tractor de 50 kW y por un motocultor de 10 kW, en la realización de ciertas operaciones de laboreo y cultivo. No se han incluido operaciones cuyos rendimientos pueden ser muy dispares y depender menos del tipo de máquina empleada (tractor o motocultor), como son la fertilización, los tratamientos y la recolección y transporte.
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Tabla 1. 2.Diferencias de capacidad de trabajo y tiempos necesarios entre un tractor y un motocultor
Implemento Tractor de 50 kW Motocultor de 10 kW
Vertedera 0.15 ha/h 0.05 ha/h
Fresadora 0.25 ha/h 0.08 ha/h
Cultivador 1.30 ha/h 0.25 ha/h
Sembradora monograno 0.60 ha/h 0.15 ha/h
Tiempo total necesario para aplicar: Vertedera, fresadora, cultivador y Sembradora
13 horas/ha 43 horas/ha
Fuente: Gracia, 1999
Considerando el costo de la mano de obra (salario del conductor-operador) como una variable [S], el costo total de utilización de la maquinaria estudiada será
a) Tractor de 50 kW: 201.88 +S ($ /h)………... (1.1) b) Motocultor de 10 kW: 30.27 +S ($ /h)………... (1.2)
Observando los resultados de la tabla 1.2 y las ecuaciones (1.1) y (1.2) se nota que las dos máquinas tienen sus ventajas. Si se desea hablar de rendimiento y menos tiempos de operación, lógico se pensaría en usar un tractor, pero si lo que se desea es reducir costos de insumos la mejor opción es el motocultor.
1.4. IMPORTANCIA DE PRUEBAS EN MOTOCULTORES
Una innovación en mecanización agrícola solamente será aceptada por los campesinos si entrega una solución a un problema específico. Es por esto que los informes de pruebas pueden ayudar, a los usuarios potenciales de este equipo, al comparar el desempeño de alternativas y seleccionar el modelo más apropiado a sus necesidades. (Smith et al., 1994)
La información de las pruebas puede ser usada para controlar las importaciones de maquinaria agrícola, para asegurar la calidad y servicios del usuario. Uno de los primeros ejemplos es la prueba de tractores de Nebraska.
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Desde 1920 ha sido un requerimiento legal del estado que todo tractor que se venda en Nebraska debe tener un ejemplar oficialmente probado y con repuestos disponibles.
Los propósitos para esto: es que destacan la importancia de presentar la información en una forma educativa que permita a extensionistas y estudiantes entender la importancia de los aspectos de diseño de máquinas agrícolas.
1.4.1. Tipos de ensayos
Existen dos tipos de ensayos de los motores de combustión interna: ensayos de investigación y desarrollo, y ensayos de producción.
Los primeros se efectúan en naves especialmente equipadas (celdas de ensayos), siendo su objetivo el desarrollo de un motor o de alguno de sus componentes, o bien el análisis de alguno de los procesos que tienen lugar en el mismo, por lo que en general se precisa una instrumentación sofisticada.
Las principales pruebas experimentales son aquellas que sirven para determinar los valores de:
- Par motor.
- Potencia.
- Presión media efectiva.
- Potencia absorbida por rozamiento.
- Consumo de combustible.
- Rendimientos.
- Etc.
También se efectúan otras pruebas con el objeto de investigar el desarrollo de los fenómenos físicos y químicos, determinando por ejemplo:
- Evolución de las presiones en el cilindro.
- Composición de los gases de escape.
- Pérdidas de calor.
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Todos los motores de nuevo proyecto (prototipos) son sometidos a una larga serie de pruebas experimentales, hasta alcanzar las presiones previstas.
Los ensayos de producción son aquellos que se realizan a los motores ya fabricados en serie, y que sirven para controlar que sus características corresponden a las de los prototipos y al mismo tiempo efectuar un periodo de rodaje o asentamiento del motor. Por tanto la instrumentación necesaria es relativamente simple. (Arnal, 2001)
1.4.2. Prueba de potencia en motores
Desde los inicios de la utilización de los tractores agrícolas se vio la necesidad de medir la potencia en las mismas condiciones para poder compararlas y así elegir el más adecuado a cada explotación. Las primeras normas de ensayo para los tractores se dictan en 1919 en el estado de Nebraska y es el Departamento de Ingeniería Agronómica de la Universidad de Lincoln el encargado de realizar los ensayos. (Arnal, 2001)
1.4.2.1 Formas de medir la potencia en motores agrícolas
En un tractor se pueden medir muchas potencias, entre las que destacan la potencia del motor, la potencia a la barra, y la potencia hidráulica. La primera es la que los agricultores comparan a la hora de adquirir un tractor, y la que los fabricantes anuncian en las características del tractor que figuran en los catálogos y otras publicaciones técnicas.
Las distintas normas y códigos de ensayo para medir esta potencia de motor, se pueden separar en tres grupos según el tipo de potencia que miden. (Arnal, 2001)
a) Potencia bruta
En este caso, la potencia se mide en el volante de inercia del motor se observa en la figura 1.3. De acuerdo con las normas de ensayo, al motor se le quitan una serie de elementos que consumen potencia en su funcionamiento como son: el filtro de aire, el silenciador del escape, el generador de corriente, la bomba de alimentación de combustible, el ventilador, etc. Con ello se consigue
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obtener toda la potencia que puede suministrar el motor. Esta potencia nunca puede ser alcanzada por el agricultor con su tractor.
Figura 1.3. Potencia bruta en el volante del motor
b) Potencia neta
También en este caso la potencia se mide en el volante de inercia del motor. Sin embargo, las normas de ensayo indican que el motor tiene que llevar el mismo equipamiento que cuando está montado en el vehículo, en nuestro caso, en el tractor (figura 1.4). El agricultor podría obtener la potencia medida, siempre que trabajara directamente con el volante de inercia del motor de su tractor, cosa poco probable.
19 Figura 1.4. Potencia neta en el volante del motor
c) Potencia útil
Aquí, la potencia se mide en el eje de la toma de fuerza del tractor. El motor no se saca del tractor, y mantiene todos los elementos que el fabricante ha previsto en su diseño y construcción (ver figura 1.5). El agricultor podrá obtener la potencia resultante en el ensayo siempre que utilice la toma de fuerza como elemento motriz de una máquina acoplada a ella.
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Por este motivo, este es el dato de potencia más interesante para los agricultores. Este método de medición tiene la ventaja de poder medir la potencia del tractor en cualquier lugar, incluso en pleno campo, existiendo en el mercado varios equipos móviles para efectuar esta medición.
Entre los valores de las tres potencias citadas existen diferencias para un mismo motor. La potencia bruta siempre es mayor que la potencia neta ya que los sistemas y mecanismos que lleva el motor en el segundo caso necesitan potencia para su funcionamiento. De igual manera, la potencia neta es mayor que la potencia útil, ya que, en este último caso, el movimiento del motor tiene que pasar por un embrague y por una serie de engranajes en donde, aunque pocas, se producen pérdidas.
Toma de fuerza
Este sistema es el intermediario entre el motor y la máquina o aplicación a accionar. Sirve para acoplar y desacoplar el movimiento de rotación del motor a la máquina o aplicación que acciona.
Su función es la de tomar el movimiento de rotación del volante inercial y transmitirla a través de discos dentados giratorios y platos o discos fijos a un eje de salida donde se acopla finalmente la máquina o carga.
Consta básicamente de una corona dentada (de encastre) fija en el volante inercial, unos discos dentados intercambiables de fibra y metal (ferrodos), acoplados a la corona de arrastre, discos o platos metálicos fijos y deslizantes, un dispositivo de empuje con su accionamiento y un eje de salida montado sobre rodamientos en una carcasa metálica.
1.5. BANCO DE PRUEBAS
Todos los motores de nueva generación deben ser sometidos a una larga serie de mediciones alternadas con severas pruebas de durabilidad y de carga, tales que deben ser repetidas una orden de veces hasta alcanzar un resultado previsto con anterioridad en los cálculos teóricos.
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Las pruebas principales son las que sirven para obtener los valores relativos al par motor, la presión media efectiva, la potencia desarrollada, el consumo específico de combustible, los diferentes rendimientos así como la composición de los gases de escape.
Para ensayar un motor es necesario instalarlo en un banco de pruebas. Este consta básicamente de los siguientes elementos: (Universidad del país Vasco, 2001)
1º) Una cimentación que absorba las vibraciones que se producen debido a la
existencia en el motor de fuerzas de inercia no equilibradas y de los correspondientes momentos resultantes.
2º) Estructura, cuya misión es soportar el motor.
3º) Soportes para montar y fijar el motor en la estructura, así como regular la
altura y alinear el motor con el freno.
4º) Freno dinamométrico que absorba la potencia desarrollada por el motor,
ofreciendo una resistencia al giro de éste, y que esté provisto de un dispositivo para medir el par motor.
5º) Transmisión que permita la conexión freno-motor con una cierta elasticidad
y capacidad de absorber desalineaciones.
6º) Sistema de alimentación de combustible al motor con instrumentos de
medición de consumo.
7º) Sistema de refrigeración del motor:
- Si los motores son refrigerados por agua, normalmente se mantiene la bomba de agua del propio motor. Esta impulsa el agua a través del motor hacia un cambiador de calor (agua/agua o aire/aire), en general con regulación termostática por medio de válvulas motorizadas. En instalaciones más económicas se suele recurrir a un depósito de mezcla en donde se añade una pequeña cantidad de agua fría a la caliente, que proviene del motor.
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- Si los motores son refrigerados por aire se suele utilizar un soplante dirigido hacia los costados del motor.
8º) Sistema de refrigeración de aceite.
En ocasiones también se refrigera el aceite del motor, ya que al no existir una corriente de aire al cárter, éste tiende a sobrecalentarse. El sistema consta de un intercambiador aceite/agua y en ocasiones una bomba auxiliar.
9º) Red de agua.
Los frenos dinamométricos transforman toda la energía mecánica que reciben del motor en calor. Este calor es eliminado por el sistema de refrigeración del freno que suele ser mediante un abastecimiento continuo de agua.
En los frenos hidráulicos se ha de mantener la presión del agua dentro de unos límites, ya que por ser el agua el elemento frenante, cualquier variación de presión provocaría una variación en el par resistente y por tanto una variación en la medida. El agua se calienta a su paso por el freno y en algunos casos se suele emplear un circuito cerrado, enfriándose el agua en una torre de refrigeración.
10º) Sistema de evacuación de los gases de escape.
Los gases de escape son enviados tras pasar por un silenciador a la atmósfera.
11º) Sistema de ventilación de la sala. Debe evitar el sobrecalentamiento del
local por la radiación de calor del motor. Se efectúa mediante ventiladores axiales o centrífugos de impulsión y extracción.
Cuando el banco se instala en una habitación o cámara cerrada y aislada se habla de una celda o cabina de ensayo de motores. En este caso existe un pupitre de instrumentos en el exterior de la celda con los órganos de puesta en marcha y de gobierno del motor y freno, así como los instrumentos de control y registro.
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1.5.1. Medición de la potencia efectiva del motor
Sistema para medición de par torsor, que consta de un anillo, unido por una parte a una pieza fija y por la otra parte a una pieza motora, que absorbe todo el par aplicado; y unas galgas extensiométricas, dispuestas en la superficie interior del anillo y con medios de adquisición de datos asociados a un sistema de lectura; de modo que se relaciona en todo instante el momento torsor aplicado con la lectura de las galgas colocadas en el anillo.
Cuando un motor en funcionamiento mueve algún conjunto de elementos mecánicos que ofrecen una resistencia a su propio movimiento, el trabajo lo realiza contra dicha resistencia (carga resistente) que, por tanto, hace el efecto de freno del motor.
La potencia efectiva de un motor es:
Pe= Mm x Va ………...(1.3)
Pe = Potencia efectiva [Hp]
Mm= par motor (par disponible en el eje motor) [Nm] Va= velocidad angular [rpm]
Siendo el par motor proporcional a la magnitud de la carga resistente aplicada al motor (generador eléctrico, unidad propulsora de un buque, etc.). La naturaleza física de la carga no tiene influencia sobre la producción de potencia siendo esta la misma si el par resistente es el mismo para la misma velocidad de giro del motor.
El par motor se mide acoplando al motor un dispositivo frenante cuya característica resistente se puede variar (variar la carga resistente), pudiéndose obtener, si se mide el régimen de giro del motor, la potencia correspondiente desarrollada por el mismo. Este dispositivo frenante se denomina freno dinamométrico, y consta básicamente de una parte móvil (rotor), una fija (estator) y un dispositivo de medida de fuerza. El rotor del freno está acoplado al árbol de salida del motor. El par motor se transmite desde el rotor al estator generalmente por medio de un fluido o de un campo magnético. Al poseer el
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estator un montaje basculante, que permite que gire sobre su propio eje, aquél intentaría girar en el mismo sentido que el rotor. Un brazo unido al estator, que posee un punto de apoyo a una distancia del eje de giro, impide este giro, dando lugar a la aparición de una fuerza F en dicho punto. Este punto de apoyo actúa sobre el dispositivo de medida de fuerza.
1.5.2. Tipos de frenos dinamométricos
El freno es el elemento utilizado para equilibrar el par y absorber la potencia dada por el motor. Si el motor gira en vacío, no sería posible caracterizar los diferentes puntos de funcionamiento del motor.
Los frenos dinamométricos son los encargados de crear un par resistente que es el que proporciona la carga al motor. Esta carga ha de ser variable para ensayar distintas condiciones operativas del motor.
De entre los frenos más utilizados en la actualidad, destacan dos de ellos: el freno hidráulico y el electromagnético. La principal diferencia entre ambos es cómo se genera la fuerza frenante. (Universidad del país Vasco, 2001)
Se han desarrollado varios tipos de frenos basados en distintos principios. Los más difundidos son: - Frenos de fricción - Frenos hidráulicos - Frenos electromagnéticos - Corriente continua - Corriente alterna - Corrientes de Foucault. Frenos de fricción.
El freno de fricción mecánico por zapata y tambor fue el primero utilizado, llamado freno de Prony (Figura 1.6), si bien debido a su inestabilidad y dificultad de regulación y refrigeración hoy es sólo un antecedente histórico. En la figura se muestra el principio de su funcionamiento.
25 Figura 1.6. Freno de Prony
Fuente: García ,2007
Frenos hidráulicos.
El freno hidráulico es similar a un convertidor hidráulico de par, en el que se impide girar al eje de salida. Se compone de un rotor y una carcasa o estator llena de agua que sirve tanto de elemento frenante como refrigerante.
La potencia del motor absorbida por el freno se transforma en calor, necesitándose una alimentación continua de agua fría. Para una temperatura de entrada al freno de 200 ºC y una salida de 600 ºC se necesita por Kilowatt frenado, un caudal de 20 dm3 /h aproximadamente. Para evitar el deterioro del freno la temperatura del agua a la salida no debe sobrepasar en general los 600 ºC. (Universidad del país Vasco, 2001)
El par de frenado de los frenos dinamométricos hidráulicos es aproximadamente proporcional al cuadrado del número de revoluciones (curva característica de respuesta aproximadamente cuadrática), lo que les hace muy estables.
Las ventajas de este tipo de freno son:
- Bajo costo para potencias absorbidas importantes.
- Gran duración.
- Reparación rápida y poco costosa.
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- Poca versatilidad de las curvas de par resistente.
- Par de frenado fuertemente dependiente de la presión de la red hidráulica, lo que puede producir inestabilidad.
Estas consideraciones hacen que el freno hidráulico sea el más utilizado en producción y en ensayos de resistencia. (Universidad del país Vasco, 2001)
En la figura 1.7 se observa una sección de un freno hidráulico, con todos los elementos que lo componen.
Figura 1.7. Sección de un freno hidráulico Fuente: García, 2007
Frenos electromagnéticos
En el caso de los frenos electromagnéticos (figura 1.8), la acción de frenado se produce mediante la variación del flujo electromagnético creado por unas bobinas alimentadas con corriente continua situadas en el estator y que concentran el campo magnético sobre el rotor. La potencia absorbida genera corrientes parásitas de Foucault que son disipadas en forma de calor. Mediante la variación de la alimentación de las bobinas del estator, se consigue la regulación del par resistente. Este tipo de frenos también dispone de un sistema hidráulico cuya única finalidad es la de evitar el excesivo calentamiento del rotor.
27 Figura 1.8. Sección de un freno electromagnético
Fuente: García, 2007
También puede observar en la figura 1.8 el sistema clásico de medición del par (mediante el uso de pesos y contrapesos), si bien en los frenos actuales se sustituye este sistema por un transductor de fuerza, mientras que las palancas se utilizan únicamente para la calibración del par.
Para determinar la potencia efectiva se pueden utilizar generadores de corriente eléctrica. Así por ejemplo si se acopla un motor térmico a una dínamo conectada a una resistencia eléctrica, la potencia del motor se utilizará en accionarla. Esta potencia se puede determinar midiendo con un voltímetro y un amperímetro la potencia eléctrica suministrada por el dínamo. En este método debe tenerse en cuenta, que existirán pérdidas por rozamiento, por efecto del aire y pérdidas eléctricas dependientes de la carga en el generador por lo que la medida no es muy precisa. Esto hace que sea mucho más común medir la potencia del motor indirectamente a través del par motor. (Garcia, 2007)
a) Frenos de corriente continua.
Igual que en los frenos hidráulicos, el estator posee un montaje basculante y está unido a un sistema de medida de fuerza. El par motor se transmite del rotor (inducido) al estator (inductor en anillo) por medio del campo magnético.
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La regulación de la carga, cuando las variaciones no son demasiado grandes, puede ser hecha variando la excitación de la dínamo con un reóstato. Haciendo crecer la reacción electromagnética entre el rotor y el estator, efecto que trasmite el par del rotor al estator, aumenta la carga resistente y viceversa. La corriente producida puede ser disipada en forma de calor en unas resistencias eléctricas.
Ahora bien, una ventaja de este tipo de freno es que la energía eléctrica generada durante el ensayo puede aprovecharse de alguna forma útil ya que la potencia del motor no se pierde como energía degrada en un sistema de refrigeración. Así podría llevarse a la red, aunque esto solamente se hace cuando el tiempo de trabajo es lo suficientemente grande como para amortizar los costes de acoplamiento.
En este último caso el dínamo-freno se conecta a un grupo constituido por un motor de corriente continua unido a un alternador asimismo trifásico acoplado a la red, y un motor de corriente alterna que acciona los dínamos excitatrices que suministran la corriente de extracción para el motor y el dinamo-freno.
La regulación de la excitación de las dos máquinas de corriente continua puede efectuarse por medio de reóstatos: uno varía la excitación del motor y por tanto la tensión de los extremos del inducido de el dínamo-freno, el otro varía la excitación de el dínamo-freno.
La energía eléctrica desarrollada por el dínamo-freno es enviada al motor del grupo, arrastrando al alternador asíncrono. Se recupera, por tanto, bajo forma de energía eléctrica trifásica la energía mecánica suministrada por el motor térmico.
Este tipo de dínamo-freno presenta la gran ventaja de poder ser usado también como motor eléctrico y puede servir no sólo como arrancador del motor, sino también como medio para arrastrarlo, una vez suprimido el encendido y medir directamente la potencia necesaria para vencer los rozamientos. En este caso el alternador actúa como asíncrono accionando un generador (anteriormente motor) que alimenta el dínamo-freno, que ahora actúa como motor.
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Actualmente el grupo motor -alternador se sustituye por sistemas electrónicos de potencia.
Todas las ventajas y desventajas de los dos tipos de frenos se presentan en la tabla 1.3.
Tabla 1. 3. Comparativa entre frenos
Tipos de frenos ventajas Inconvenientes
Frenos hidráulicos
Bajo costo para potencias absorbidas
elevadas
Baja estabilidad
Larga duración Poco par resistente a pocas vueltas Reparaciones rápidas y poco costosas Par de frenado dependiente de la presión de la red hidráulica
Frenos electromagnéticos Control preciso Mayor costo
Bajo costo de mantenimiento
Alta inercia
Fuente: García, 2007
1.5.3. Curvas características de los frenos dinamométricos
Las curvas características delimitan la zona de trabajo del dinamómetro. Los parámetros citados a continuación son importantes a la hora de decidir el freno para el banco de ensayos, y podrán verse en sus curvas características. (García, 2007)
1. Curva de potencia a máxima carga (curva a): corresponde a la variación del producto del par absorbido y el régimen de giro. En el caso de los frenos hidráulicos se obtiene con una apertura total de las esclusas para el agua y, en los frenos de corrientes electromagnéticas con la máxima excitación en las bobinas.
2. Par máximo (recta b): el par máximo viene limitado por la resistencia mecánica, especialmente en los frenos hidráulicos.
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3. Potencia máxima (recta c): máxima potencia a la cual puede ser utilizado el dinamómetro, función del caudal de agua a la salida del freno y del incremento permisible de su temperatura.
4. Régimen máximo de velocidad de giro (recta d): límite determinado por los cojinetes de rotación y centrifugación de masas rotativas.
5. Par mínimo (curva e): es la curva cuyo par es del mismo orden de magnitud que el par de fricción del freno (rozamiento y venteo) y que, por tanto, en esta zona puede llevar a error.
6. Límite de la célula de carga: la permitida por la célula de carga.
En las siguientes gráficas se muestran las curvas características de par y potencia de un freno hidráulico (figura 1.9) y de un freno electromagnético (figura 1.10).
Figura 1.9. Curva característica de frenos hidráulicos Fuente: García, 2007
31 Figura 1.10. Curva característica de frenos electromagnéticos
Fuente: García, 2007
1.5.4. Freno eléctrico
Permite controlar y adecuar la desaceleración del vehículo con este eje instalado y según las condiciones de tránsito, mediante la sola circulación de corriente eléctrica por los electroimanes o magneto dentro de las campanas de freno. Ideal para acoplados y tráilers de bajo o mediano porte. Este eje se observa en la figura 1.11.
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Cuando se acciona el pedal de frenos (y mientras se mantiene presionado), el control electrónico envía una corriente eléctrica al eje y hace que se imanten los magnetos en su interior. Esto hace que el magneto se pegue contra la pared interna de la campana, que en ese momento se encuentra en movimiento, arrastre en el sentido de giro provocando mediante el brazo portaimán y en forma mecánica la apertura de las zapatas de freno, con su consecuente resultado de la fricción, la desaceleración del vehículo. (Mecanizados San Miguel, 2010)
1.5.4. Controlador eléctrico
Estos controladores traen las siguientes partes, las cuales deben de entenderse perfectamente para conocer el funcionamiento del controlador (figura 1.12).
A. Perilla de potencia
B. Perilla manual deslizante
C. Orificios para el montaje del soporte D. Luz bicolor
E. Perilla de nivel
Figura 1.12. Controlador de frenado
La luz bicolor se muestra de color verde cuando el controlador esta conectado, muestra un color rojo cuando se activa el freno. Estos destellos de luz gastan muy poca luz tan solo 5 miliamperios.
Este tipo de controlador de freno se activa por inercia, es sensible a la desaceleración y genera un resultado que refleja la inercia captada. En un estado fijo, el control del freno no aplicará los frenos del remolque a menos que se active la perilla manual deslizante.