UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN IMPLEMENTO
AGRÍCOLA CON VARIACIÓN DE ALTURA HIDRÁULICA Y
CONTROL ELECTRÓNICO DE ÁNGULOS DE ATAQUE PARA
RETÁPE DE CULTIVOS DE PAPA.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
EDGAR FERNANDO BURBANO ROSERO
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO.
DECLARACIÒN
Yo EDGAR FERNANDO BURBANO ROSERO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliografías que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “ANÁLISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN IMPLEMENTO AGRÍCOLA CON VARIACIÓN DE ALTURA HIDRÁULICA Y CONTROL ELECTRÓNICO DE ÁNGULOS DE ATAQUE PARA RETÁPE DE CULTIVOS DE PAPA” que para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por EDGAR FERNANDO BURBANO ROSERO, bajo mi dirección y supervisión; en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
DEDICATORIA
El esfuerzo, sacrificio y dedicación puesto en el presente trabajo se lo dedico con mucho amor y gratitud a mis padres, Bayardo Burbano y Rosa Rosero, quienes con su esfuerzo y sacrificio diario en los campos han podido brindarme la oportunidad de acceder a una educación superior, siendo juntos el pilar fundamental de mi existencia ejemplo de lucha y perseverancia.
A mis hermanos Johana Burbano y Patricio Burbano quienes depositaron en mí su confianza y que con cada palabra de aliento me dieron la fuerza necesaria para la culminación de este trabajo de titulación.
A la señorita Aracely Vallejos quien estuvo a mi lado durante toda mi carrera universitaria brindándome su amor y comprensión, quien ha sido mi amiga y compañera incondicional, hoy te dedico con mucho amor este trabajo y tengo la seguridad que juntos lograremos culminar muchos proyectos más.
A la familia Morillo Rosero quien me acogió en su hogar durante todo el tiempo que fue necesario para la culminación de mi carrera y que gracias a su apoyo, consejos y sabiduría supieron guiarme por el camino correcto, hoy con mucha gratitud dedico mi trabajo de titulación a esta gran familia.
AGRADECIMIENTO
A la universidad tecnológica equinoccial por permitirme formar parte de su institución y por brindarme los conocimientos necesarios para salir y desenvolverme de manera óptima en el campo laboral.
A mi familia y amigos quienes fueron el pilar fundamental para lograr este objetivo, ya que gracias a su apoyo incondicional en cada momento pude obtener las fuerzas necesarias para seguir adelante día a día.
Al ingeniero Milton Revelo director de mi tesis que gracias a su esfuerzo, conocimientos y tiempo, me supo guiar con la elaboración de este proyecto.
Al ingeniero Alejandro Rojas quien con sus conocimientos y experiencia supo guiarme paso a paso en la elaboración del tema de mi tesis la cual ha sido implementada en los cultivos de mi familia y allegados.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 0401438643
APELLIDO Y NOMBRES: BURBANO ROSERO EDGAR FERNANDO
DIRECCIÓN: TULCÀN : CALLE SUCRE Y QUITO
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 062-236-149
TELÉFONO MOVIL: 0993669937
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Análisis, diseño y construcción de un
implemento agrícola con variación de altura hidráulica y control electrónico de ángulos de ataque para retápe de cultivos de papa.
AUTOR O AUTORES: BURBANO ROSERO EDGAR FERNANDO
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
10/05/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. MILTON REVELO
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
disminución de costos y tiempos en la actividad de retápe de cultivos de papa.
PALABRAS CLAVES: Implemento agrícola
ABSTRACT: The present work was supported in the test, design and manufacture of agriculture implement with hydraulic height variation and electronic control of attack angles to recover potato crops. This was done by means of the theoretical and practical method. To manufacture the agriculture equipment was the main aim. This will be drag by the tractor and will be taken over by means of the three points and the hydraulic valves of remote control. These ones are located in the back side of machine. Four design and simulation software were used to manufacture the agriculture equipment, such as: SolidWorks, Arduino, Proteous 8 and hydraulic FluidSIM. So that satisfactory results of design and effort simulations was gotten in each assembly. The field works were done in Carchi province, Urbina parish. The aim is an alternative that might carry out to decrease the cost and time in the execution of potato recovering. It will be in favor of farmers in this zone.
choosing the respective attack angle according to the configuration of the ground which he will work in. This angle can be between zero (0) and sixty (60) degrees of inclination. So accomplishment of work will be of high quality. The efficiency of the recovering implement is better than efficiency of farmers. It was proven with the obtained results in the field works. For this reason the potato recovering implement is recommended. So that the farmer can get a decrease of cost and time at the moment to accomplish the potato crops recovering activity.
KEYWORDS agriculture implement
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
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BURBANO ROSERO EDGAR FERNANDO
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, BURBANO ROSERO EDGAR FERNANDO, CI 0401438643 autor del proyecto titulado: (Análisis, diseño y construcción de un implemento agrícola con variación de altura hidráulica y control electrónico de ángulos de ataque para retápe de cultivos de papa). Previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones
de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica
de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una
copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema
Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su
difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener
una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un
Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de
propiedad intelectual vigentes.
Quito, 10 de mayo de 2016
f:__________________________________________
BURBANO ROSERO EDGAR FERNANDO
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN………...xvi
ABSTRACT……….………xvii
1. INTRODUCCIÓN. ...1
2. MARCO TEÓRICO ...4
2.1 MECANIZACIÓN AGRÍCOLA ... 4
2.1.1 HISTORIA DE LA MECANIZACIÓN ... 4
2.2 EL TRACTOR AGRÍCOLA ... 5
2.2.1 PARTES ... 5
2.3 HIDRÁULICA ... 6
2.3.1 SIMBOLOGÍA HIDRÁULICA ... 7
2.3.2 CILINDRO HIDRÁULICO ... 7
2.3.2.1 Cilindros de simple efecto ... 7
2.3.2.2 Cilindros de doble efecto ... 8
2.3.2.3 Cálculo de la fuerza del cilindro ... 9
2.3.3 CIRCUITOS HIDRÁULICOS BÁSICOS ... 10
2.4 ELEVADOR HIDRÁULICO ... 11
2.4.1 ELEMENTOS QUE LO CONFORMAN ... 11
2.4.1.1 Enganche de tres puntos ... 11
2.4.1.2 Elevador hidráulico ... 12
2.4.1.3 Funcionamiento general del elevador hidráulico ... 13
2.5 FORMULA DE TRANSFORMACIÓN DE UN PESO A FUERZA ... 15
ii
2.7 VÁLVULAS DE CONTROL REMOTO... 17
2.7.1 COMO TRABAJAR CON CILINDROS DE DOBLE EFECTO .... 19
2.8 TRABAJOS QUE PUEDE REALIZAR UN TRACTOR ... 20
2.9 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS USADOS PARA EL CULTIVO DE PAPA EN EL ECUADOR... 21
2.9.1 DEFINICIÓN DE IMPLEMENTO AGRÍCOLA ... 21
2.9.2 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS DE LABRANZA PRIMARIA ... 22
2.9.2.1 Rastra de discos ... 22
2.9.2.2 Arado de discos ... 23
2.9.3 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS DE LABRANZA SECUNDARIOS ... 25
2.9.3.1 Surcadora ... 25
2.9.4 MATERIALES USADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS ... 26
2.9.4.1 Materiales no metálicos ... 26
2.9.4.2 Metales no férreos ... 27
2.9.4.3 Materiales férreos ... 27
2.9.4.4 Soldadura MIG ... 30
2.10 COSTOS DE LA MAQUINARIA AGRÍCOLA ... 31
2.10.1 CÁLCULO DE COSTOS FIJOS ... 32
2.10.1.1 Depreciación ... 32
2.10.1.2 Interés de capital invertido ... 33
2.10.1.3 Almacenaje y protección ... 34
2.10.1.4 Reserva de protección ... 35
2.10.2 CÁLCULO DE COSTOS VARIABLES ... 36
2.10.2.1 Reparación y mantenimiento ... 37
2.10.2.2 Combustible y aceite ... 37
2.10.2.3 Mano de obra ... 38
2.11 CONTROL ELECTRÓNICO ... 39
iii
2.11.2 REGULADOR DE TENSIÓN ... 42
2.11.3 CAPACITORES ... 42
2.11.3.1 Capacitores cerámicos ... 43
2.11.3.2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS ... 44
2.11.4 DIODO ... 44
2.11.5 TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO ... 45
2.11.6 VISUALIZADOR LCD ... 46
2.11.7 ACELEROMETRO ... 47
2.11.8 ARDUINO ... 48
2.12 SOFTWARES USADOS PARA EL DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DEL IMPLEMENTO ... 49
2.12.1 ARDUINO ... 49
2.12.2 PROTEUS 8 ... 50
2.12.2.1 ISIS ... 50
2.12.2.2 Módulo VSM ... 51
2.12.2.3 ARES ... 52
2.12.3 SOLIDWORKS 2014 ... 53
2.12.4 FLUIDSIM 4.2 ... 54
2.13 CULTIVO DE PAPA ... 55
2.13.1 PREPARACIÓN DEL SUELO ... 55
2.13.2 SIEMBRA ... 56
2.13.3 RETÁPE ... 56
2.13.4 DESHIERBA ... 57
2.13.5 APORQUE ... 57
2.13.6 FUMIGACIÓN DEL SUELO ... 57
2.13.7 FUMIGACIÓN FOLIAR ... 58
2.13.8 COSECHA ... 58
3. METODOLOGÍA ... 61
iv
3.2 MATERIALES ... 61
3.3 HERRAMIENTAS/TECNICAS ... 61
3.3.1 SOFTWARES ... 61
3.4 EQUIPOS ... 62
3.5 METODO ... 63
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÒN ... 64
4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN IMPLEMENTO AGRÍCOLA CON VARIACIÓN DE ALTURA HIDRÁULICA Y CONTROL ELECTRÓNICO DE ÁNGULOS DE ATAQUE PARA RETÁPE DE CULTIVOS DE PAPA. ... 64
4.1.1 DISEÑO DEL IMPLEMENTO AGRÍCOLA PARA RETAPAR PAPA (PARTE MECÁNICA) ... 64
4.1.2 MEDICIÓN DE LA FUERZA NECESARIA PARA EL TRABAJO DE LA CHUCHILLA RETAPADORA ... 65
4.2 TRANSFORMACIÓN DEL PESO A FUERZA QUE SOPORTARA LA CUCHILLA RETAPADORA ... 68
4.2.1 SIMULACIÓN DE ESFUERZOS EN SOLIDWORKS ... 71
4.2.2 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN SOLIDWORKS ... 72
4.3 CONSTRUCCIÓN DEL IMPLEMENTO (PARTE MECÁNICA) ... 74
4.3.1 CALCULO DE ESFUERZO CORTANTE EN PERNOS ... 83
4.3.2 PROCESO DE PINTURA DEL IMPLEMENTO ... 87
4.4 MONTAJE DE LA PARTE HIDRÁULICA EN LA PARTE MECÁNICA DEL IMPLEMENTO ... 89
v 4.6 CALCULO DE LA FUERZA DEL CILINDRO HIDRÁULICO
UTILIZADO ... 95
4.7 CÁLCULO DEL PESO DEL IMPLEMENTO ... 96
4.7.1 CALCULO DEL PESO DE LA CUCHILLA RETAPADORA ... 96
4.7.2 CALCULO DEL PESO DE LA ESTRUCTURA DEL ENSAMBLAJE 1 ... 97
4.7.3 CALCULO DEL PESO DEL ENSAMBLAJE 2 ... 98
4.8 DISEÑO DEL CONTROLADOR DE ÁNGULOS ELECTRÓNICO .... 99
4.9 CONSTRUCCIÓN DEL CONTROLADOR DE ÁNGULOS ELECTRÓNICO ... 102
4.10 CÁLCULO DE COSTOS VARIABLES DE UN TRACTOR AGRÍCOLA ... 105
4.10.1 CUADRO DE COSTOS DE LUBRICACIÓN ... 105
4.10.2 COSTO DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE ... 107
4.10.3 COSTOS DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO ... 107
4.10.4 NEUMÁTICOS ... 108
4.10.5 MANO DE OBRA ... 109
4.11 CÁLCULO DE COSTOS FIJOS DE UN TRACTOR ... 110
4.11.1 DEPRECIACIÓN ... 110
4.11.2 INTERÉS DE CAPITAL INVERTIDO ... 111
4.11.3 ALMACENAJE Y PROTECCIÓN ... 112
4.11.4 RESERVA DE PROTECCIÓN ... 113
4.12 RESUMEN DE COSTOS FIJOS Y VARIABLES POR HORA DE .... UN TRACTOR AGRÍCOLA. ... 113
4.13 COSTOS POR HORA DE IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS TALES COMO, ARADOS, RASTRAS, SURCADORAS Y RETAPADORAS DE PAPA. ... 114
vi
4.13.2 COSTO POR HORA DE UNA RASTRA ... 118
4.13.3 COSTO POR HORA DE UNA SURCADORA ... 122
4.13.4 COSTO POR HORA DE LA RETAPADORA ... 126
4.13.5 COSTO DEL RETÁPE MANUAL DE PAPA POR HECTÁREA 131 4.14 PRUEBAS DE CAMPO DE LA RETAPADORA DE PAPA ... 132
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 135
5.1 CONCLUSIONES. ... 135
5.2 RECOMENDACIONES. ... 137
GLOSARIO ... 139
BIBLIOGRAFIA ... 140
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Tractor agrícola ... 5
Figura 2. Partes del tractor agrícola ... 6
Figura 3. Circuito hidráulico básico ... 10
Figura 4. Partes del enganche de tres puntos... 12
Figura 5. Partes del circuito del elevador hidráulico ... 12
Figura 6. Hidráulico a media altura ... 13
Figura 7. Hidráulico en elevación ... 14
Figura 8. Hidráulico descendiendo ... 15
Figura 9. Tensión cortante promedio ... 17
Figura 10. Palancas de accionamiento de válvulas de control remoto ... 18
Figura 11. Válvulas de control remoto ... 18
Figura 12. Como trabajar con cilindros de doble efecto ... 20
Figura 13. Rastra de discos ... 23
Figura 14. Arado de discos ... 24
Figura 15. Surcadora ... 25
Figura 16. Resistencia fija ... 41
Figura 17. Regulador de tensión ... 42
Figura 18. Capacitor formado por dos conductores (placas del capacitor) . 43 Figura 19. Capacitor cerámico ... 43
Figura 20. Capacitor electrolítico ... 44
Figura 21. Diodo ... 45
Figura 22. Tarjeta de circuito impreso ... 46
Figura 23. Visualizador LCD ... 47
Figura 24. Acelerómetro ... 48
Figura 25. Arduino nano ... 48
Figura 26. Circuito diseñado en Proteus ISIS ... 51
Figura 27. Simulación de circuitos con Proteus VSM ... 52
Figura 28. Creación de circuitos impresos mediante Proteus ARES ... 52
Figura 29. Vista en 3D mediante Proteus ARES 3D visualización ... 53
viii
Figura 31. Área de trabajo de FluidSIM ... 55
Figura 32. Retápe de papa de forma manual ... 57
Figura 33. Diseño del implemento agrícola en SolidWorks ... 64
Figura 34. Acumulación de tierra necesaria para un correcto retápe de papa ... 65
Figura 35. Acumulación de tierra que será pesada ... 65
Figura 36. Separación de la tierra en dos partes para pesarla ... 66
Figura 37. Procedimiento de pesado de la tierra necesaria para retapar papa ... 66
Figura 38. División de la cuchilla en dos partes para la simulación ... 68
Figura 39. Análisis estático de tensiones de la cuchilla retapadora ... 71
Figura 40. Datos de la simulación de la cuchilla ... 72
Figura 41. Datos de simulación del ensamblaje 2 ... 73
Figura 42. Datos de simulación del ensamblaje 1 ... 74
Figura 43. Corte de materiales ... 75
Figura 44. Unión de ángulos mediante suelda ... 75
Figura 45. Realización de puntos de suelda ... 76
Figura 46. Corte de travesaños de 600 mm ... 76
Figura 47. Corte a la medida de la cuchilla retapadora ... 77
Figura 48. Bocines ... 77
Figura 49. Bocines terminados con sus respectivos pines ... 79
Figura 50. Chumacera ... 79
Figura 51. Pin soldado al larguero de 3400 mm... 80
Figura 52. Larguero de 3600 mm y 3400 terminados ... 81
Figura 53. Placa superior de chumacera ... 81
Figura 54. Perforaciones en el tubo cuadrado de 600 mm ... 82
Figura 55. Suelda de soportes para cilindros hidráulicos ... 82
Figura 56. Ensamblaje del implemento ... 84
Figura 57. Colocación de pernos y arandelas planas en el tubo cuadrado de 600 mm ... 84
Figura 58. Nervio de cuchilla retapadora ... 85
ix
Figura 60. Sujeción universal ... 86
Figura 61. Soportes para descanso del implemento ... 86
Figura 62. Colocación de capa anticorrosiva ... 88
Figura 63. Colocación de la capa fondo ... 89
Figura 64. Colocación de capa final de pintura ... 89
Figura 65. Cilindros hidráulicos ... 90
Figura 66. Mangueras hidráulicas ... 90
Figura 67. Acoples tipo T ... 91
Figura 68. Montaje de cilindros hidráulicos ... 91
Figura 69. Levantamiento del implemento para transportarlo ... 92
Figura 70. Montaje del implemento en la surcadora ... 92
Figura 71. Colocación de acoples rápidos ... 93
Figura 72. Cuchilla retapadora y sus medidas ... 97
Figura 73. Ensamblaje 1 y sus medidas ... 98
Figura 74. Ensamblaje 2 y sus medidas ... 99
Figura 75. Diseño del diagrama del circuito del display mediante Proteus ISIS ... 100
Figura 76. Diseño de un circuito medidor de ángulos mediante Proteus ISIS ... 101
Figura 77. Programación del controlador de ángulos mediante Arduino ... 102
Figura 78. Fabricación de las placas de circuito impreso, con una fresadora CNC ... 103
Figura 79. Vista inferior de la placa de circuito impreso del display terminada ... 103
Figura 80. Componentes electrónicos listos para el montaje ... 104
Figura 81. Montaje terminado del display ... 104
Figura 82. Montaje de componentes del controlador de ángulos terminado ... 105
Figura 83.Costo de retápe por hectárea ... 134
x
del software Arduino ... 148
Figura 86. Programación del controlador de ángulos mediante el uso del software Arduino ... 149
Figura 87. Diagrama hidráulico de la retapadora ... 150
Figura 88. Diagrama de avance de los cilindros hidráulicos de la retapadora ... 151
Figura 89. Diagrama de retracción de los cilindros de la retapadora ... 152
Figura 90. Control de un cilindro de doble efecto con una válvula distribuidora de 4 vías y 2 posiciones con accionamiento mecánico por palanca ... 153
Figura 91. Pines de Arduino nano ... 155
Figura 92. Esquema de un circuito hidráulico de un tractor agrícola ... 157
Figura 93. Análisis estático de tensiones del ensamblaje 2 ... 158
Figura 94. Análisis estático del ensamblaje 1 ... 158
Figura 95. Vista superior de la placa de circuito impreso del display ... 159
Figura 96. Vista inferior de la placa de circuito impreso del display ... 159
Figura 97. Diseño de la placa de circuito impreso del display mediante Proteus ARES ... 159
Figura 98. Vista en 3D del circuido armado del display mediante Proteus 160 Figura 99. Vista superior de la placa de circuito impreso del controlador de ángulos ... 160
Figura 100. Vista inferior de la placa de circuito impreso del controlador de ángulos ... 160
Figura 101.Vista en 3D del circuito del controlador de ángulos realizado mediante Proteus ... 161
Figura 102. Diseño de la placa de circuito impreso del controlador de ángulos mediante Proteus ARES ... 161
Figura 103. Montaje del controlador de ángulos de ataque en la cuchilla retapadora ... 167
Figura 104. Montaje del display en el tablero del tractor ... 167
Figura 105. Propiedades del acero ASTM A 36 ... 171
xi Figura 107. Tipos de montaje y curvas de límites de carrera del pistón. .. 177 Figura 108. Curvas de pandeo de vástagos hidráulicos en cilindros
xii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Símbolos hidráulicos... 8 Tabla 2. Trabajos que puede realizar un tractor ... 21 Tabla 3. Dimensiones y pesos en los ángulos de acero ASTM A 36 ... 29 Tabla 4. Composición química de las planchas de acero ... 29 Tabla 5. Determinación del tipo de Voltaje, Amperaje y Tipo de Gas a utilizar ... 31 Tabla 6. Símbolos electrónicos ... 39 Tabla 7. Valores de resistividad de los materiales ... 41 Tabla 8. Peso de la parte superior de la acumulación de tierra ... 67 Tabla 9. Peso de la parte inferior de la acumulación de tierra ... 67 Tabla 10. Coeficientes de rozamiento estático y deslizante entre 2
materiales ... 78 Tabla 11. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón ... 94 Tabla 12. Dimensiones y pesos del acero ASTM A 36 ángulos ... 97 Tabla 13. Peso de la estructura del ensamblaje 1 ... 98 Tabla 14. Peso de la estructura del ensamblaje 2 ... 99 Tabla 15. Costos promedio de lubricación de un tractor new holland
serie 7630 ... 106 Tabla 16. Rol de pagos mes de octubre 2015 ... 109 Tabla 17. Resumen de costos fijos y variables por hora de un tractor
agrícola ... 114 Tabla 18. Costo por hora del uso de un arado ... 118 Tabla 19. Costo por hora del uso de una rastra ... 122 Tabla 20. Costo por hora de uso de la surcadora... 126 Tabla 21. Costo de materiales usados en la construcción de la
retapadora ... 127 Tabla 22. Costo por hora del uso de la retapadora ... 131 Tabla 23. Costos del retápe manual de papa ... 131 Tabla 24. Resultados de disminución de costos mediante el uso de la
xiii Tabla 25. Pruebas de retápe con diferentes ángulos de ataque de la
cuchilla retapadora ... 133 Tabla 26. Símbolos hidráulicos ... 146 Tabla 27. Vida útil de algunas máquinas e implementos agrícolas ... 154 Tabla 28. Descripción de pines de un Arduino nano ... 156 Tabla 29. Costos de lubricación de un tractor New Holland serie 7630 .... 162 Tabla 30. Ficha técnica pernos grado 5.8 ... 165 Tabla 31. Ficha técnica de tuercas milimétricas ... 165 Tabla 32. Ficha técnica arandelas planas DIN 1440 ... 166 Tabla 33. Especificaciones técnicas de un tractor 6403 John Deere ... 168 Tabla 34. Especificaciones técnicas de un tractor 6425 John Deere ... 169 Tabla 35.Ficha técnica de electrodos continuos para aceros al carbono y de baja aleación ... 170 Tabla 36.Ficha técnica de anticorrosivo constructec de secado rápido
xiv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1.
Simbologia hidráulica ... 146 Anexo 2.
Programación del controlador de ángulos en Arduino ... 148 Anexo 3.
Diagramas de la parte hidráulica de la retapadora de papa ... 150 Anexo 4.
Circuitos hidráulicos básicos ... 153 Anexo 5.
Datos sobre vida útil, desgaste en horas y reparación de máquinas e
implementos ... 154 Anexo 6.
Características de Arduino nano ... 155 Anexo 7.
Circuito del hidráulico de un tractor ... 157 Anexo 8.
Simulaciones en solidworks ... 158 Anexo 9.
Diseño del display y del controlador de ángulos en proteus ... 159 Anexo 10.
Tabla de lubricación de un tractor new holland 7630 ... 162 Anexo 11.
Ficha técnica de pernos ... 165 Anexo 12.
Montaje del controlador de ángulos y del display en el tractor ... 167 Anexo 13.
Especificaciones técnicas de los tractores ... 168 Anexo 14.
xv Propiedades del acero ASTM A 36 ... 171 Anexo 16.
Ficha técnica del anticorrocivo ... 172 Anexo 17.
Ficha técnica del fondo para pintura ... 173 Anexo 18.
Ficha técnica de la pintura de esmalte ... 174 Anexo 19.
Ficha técnica del cilindro hidráulico recomendado ... 175 Anexo 20.
Curvas de pandeo de vastagos de cilindros hidráulicos ... 177 Anexo 21.
Ficha técnica de mangueras hidráulicas ... 179 Anexo 22.
Ficha técnica del bronce fosfórico ... 180 Anexo 23.
Ficha técnica de barras sólidas en acero al carbón ... 181 Anexo 24.
Ficha técnica del fostato ... 183 Anexo 25.
xvi
RESUMEN
xvii
ABSTRACT
The present work was supported in the test, design and manufacture of agriculture implement with hydraulic height variation and electronic control of attack angles to recover potato crops. This was done by means of the theoretical and practical method. To manufacture the agriculture equipment was the main aim. This will be drag by the tractor and will be taken over by means of the three points and the hydraulic valves of remote control. These ones are located in the back side of machine. Four design and simulation software were used to manufacture the agriculture equipment, such as: SolidWorks, Arduino, Proteous 8 and hydraulic FluidSIM. So that satisfactory results of design and effort simulations was gotten in each assembly. The field works were done in Carchi province, Urbina parish. The aim is an alternative that might carry out to decrease the cost and time in the execution of potato recovering. It will be in favor of farmers in this zone.
1
1. INTRODUCCIÓN
“En el año 3500 a.C, en Egipto Y Mesopotamia se inventó el arado de palo, en ese momento se empieza a tomar provecho de la fuerza de tiro con la que cuentan los toros, llamados más comúnmente por los agricultores (bueyes), para usarla en la producción agrícola” (Isolve, 2002)
Este hecho fue uno de los más importantes para la humanidad, desde entonces las economías mundiales realizan sus actividades agrícolas usando animales que cuenten con capacidades de tiro, luego se crearon maquinarias e implementos agrícolas que facilitaron la preparación de suelos para cultivos, con ahorros importantes en mano de obra, pero sobre todo con aumentos considerables de producción ya que se podía cultivar productos a mayor escala.
En el planeta hay distintos niveles tecnológicos de mecanización agrícola, utilizados bajo formas específicas o de manera integral .en la mayoría de países en vías de desarrollo, la tracción animal es una de las más utilizadas por los pequeños y medianos productores, pero no siempre es la más empleada en el sector agrícola total.
El escenario económico actual sitúa los niveles de mecanización agrícola de acuerdo a las posibilidades del productor. La motriz es muy usada en explotaciones agrícolas medianas o grandes, en cultivos de exportación y con gran rentabilidad. También es común usar tractores en labores pesadas (aradura, subsoleo, rastreo) mientras se deja a bueyes y caballos las labores secundarias de menor esfuerzo de tiro, esto se da más en granjas pequeñas donde la producción agrícolas es a menor escala .
2 necesita una buena preparación del suelo la cual se la realiza en la actualidad con tractores agrícolas para de esta manera disminuir costos de producción y optimización de tiempos, se han creado gran cantidad de implementos agrícolas como por ejemplo. Cosechadoras, fumigadoras, arados de discos, rastras de discos, surcadoras etc, pero aun hacen falta implementos para una actividad llamada (retápe) la cual consiste en dar un segundo tape a la semilla ,esta actividad consiste en colocar abono y cubrirlo con tierra el cual servirá para asegurar que la planta tenga los nutrientes necesarios para generar una buena producción y calidad esperada por los consumidores locales y extranjeros también se trata de nivelar el suelo donde ya se encuentra sembrada la papa, de esta manera se provee a la papa una mayor cantidad de tierra para que la raíz pueda sujetarse mejor a ella evitando que la semilla pueda quedar expuesta a la luz solar la cual puede dañar la semilla, en la actualidad esta actividad se la realiza mediante la contratación de una gran cantidad de agricultores lo cual implica un costo elevado para el productor de la región dejando como consecuencia una baja utilidad, por este motivo se platea el siguiente objetivo general :
Analizar, diseñar y construir un implemento agrícola con variación de altura hidráulica y control electrónico de ángulos de ataque para retápe de cultivos de papa, el cual permitirá reducir los costos y tiempos de ejecución de dicha actividad.
Para lograr cumplir con el objetivo principal se plantea los siguientes objetivos específicos:
3 Diseñar un implemento con dimensiones variables en el área de sujeción para que pueda ser usado en diferentes marcas de tractores agrícolas lo cual permitirá que en caso de que se comercialice el implemento los dueños de los tractores puedan usarlo en cualquier marca sin restricción alguna.
Construir un implemento agrícola que cumpla con los requerimientos de calidad en el trabajo a realizarse para que se esta manera el productor ecuatoriano pueda obtener mayores utilidades al final del cultivo.
Diseñar un módulo electrónico que permita controlar ángulos de ataque en el implemento de retápe para que el operador del tractor tenga una referencia visual del ángulo al que se debe trabajar dependiendo de la configuración del terreno donde vaya a trabajar.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1 MECANIZACIÓN AGRÍCOLA
“La mecanización agrícola es compleja y comprende toda la maquinaria agrícola accionada por medios mecánicos que utilizan fuerza motriz proveniente de motores de combustión” (Polanco, 2007)
En la mecanización agrícola se reúnen distintas clases de máquinas y herramientas para realizar los diferentes trabajos en los cultivos, de esta manera el agricultor puede conseguir una mayor producción y productividad en su finca, el objetivo principal de la mecanización es cambiar la forma del trabajo agrícola haciéndolo menos dificultoso.
2.1.1 HISTORIA DE LA MECANIZACIÓN
“Cerca del año 3000 a.C en Egipto y Mesopotamia fue donde se obtuvo el cambio de las herramientas de labranza manual a las de tracción animal, desde ese entonces no se vio cambios significativos sino hasta el siglo XVI en Europa (España), cuando aparecen las primeras sembradoras como máquinas agrícolas”.(Isolve, 2002)
5
2.2 EL TRACTOR AGRÍCOLA
“El tractor es una maquinaria que tiene un motor el cual le permite trasladarse por sí mismo, puede remolcar o accionar los distintos implementos que se usan en la actualidad para realizar los trabajos agrícolas”. (Martinez, 2011)
En épocas pasadas cuando el tractor no existía aun, se usaban animales de tiro como por ejemplo caballos y bueyes para la labranza de las tierras, con el aumento del área de cultivo se hizo necesaria la construcción de una maquina propulsada por un motor al cual lo llamaron tractor el cual se lo puede observar en la figura 1
Figura 1. Tractor agrícola (Alvarado, 2004)
2.2.1 PARTES
6 Figura 2.Partes del tractor agrícola
(Arnal, 1996)
Partes:
1. Zócalo 2. Motor
3. Embrague 4. Caja de cambios 5. Diferencial 6. Reducción final 7. Palier 8. Ruedas
9. Toma de fuerza 10. Alzamiento hidráulico 11. Enganche 12. Dirección
13. Freno
2.3 HIDRÁULICA
“La hidráulica es la tecnología o estudio de presión y flujo del líquido, los líquidos son materiales que se vierten y toman la forma de sus contenedores entre estos tenemos el agua y el aceite” (Quirion, 2009)
7 la que permite estudiar la trasmisión de potencia mediante el uso de fluidos que se encuentran en un espacio confinado.
2.3.1 SIMBOLOGÍA HIDRÁULICA
Son los trazos y dibujos básicos empleados para la creación de los símbolos y circuitos hidráulicos los cuales es necesario aprender para identificar cada elemento que conforma un circuito. En la tabla 1 se puede apreciar algunos símbolos hidráulicos, para obtener más información ver anexo 1, tabla 26.
2.3.2 CILINDRO HIDRÁULICO
“son los más usuales y de mayor antigüedad en las instalaciones hidráulicas, pueden ser clasificados de acuerdo a la forma de operación, y aprovechan la energía de un circuito o instalación hidráulica de forma mecánica”.(Creus, 2011)
El líquido que se encuentra confinado es usualmente un tipo de aceite, el sistema deberá estar herméticamente sellado ya que trabaja a altas presiones y puede ocasionar graves accidentes si hay alguna fuga en el sistema.
Existen tres tipos de cilindros hidráulicos de los cuales se mencionaran únicamente dos:
2.3.2.1 Cilindros de simple efecto
8 El fluido es empujado a una cierta presión y vuelve a su posición inicial mediante una fuerza externa la cual puede ser de dos maneras, un muelle o la fuerza de gravedad este tipo de actuador realiza trabajo en un solo sentido.
2.3.2.2 Cilindros de doble efecto
“Estos cilindros funcionan en los dos sentidos, tanto empujando como tirando, dependiendo de que el aceite empuje al pistón por una cara o por otra”. (Serrano , 2009)
De acuerdo al diseño del cilindro de doble efecto se lo puede aplicar en diversas maquinarias como por ejemplo tractores, excavadoras, retro excavadoras como también en industrias ya que son muy versátiles y tienen un costo razonable y dimensiones muy variadas.
En la tabla 1 se puede apreciar algunos de los símbolos hidráulicos que serán usados en los esquemas de la retapadora de papa.
Tabla 1.Símbolos hidráulicos
Líneas
Línea continua-línea de caudal Trazos discontinuos –piloto ,drenaje Rectángulo trazos cortos y largos dibujados alrededor de dos o más símbolos de componentes
Círculos
Radio grande –Bomba ,Motor
Radio pequeño –aparatos de medida
9 2.3.2.3 Cálculo de la fuerza del cilindro
Para elegir el cilindro adecuado se debe realizar algunos cálculos mediante fórmulas los cuales ayudaran a que su elección sea la más apropiada ya que si se usa un cilindro al azar podría tener problemas al levantar la estructura del implemento además de que el precio de los cilindros hidráulicos varía de acuerdo a sus dimensiones.
Las fuerzas generadas en un cilindro en la extensión del pistón son:
2.3.2.3.1 Fuerza de avance
Es la fuerza máxima que genera el cilindro hidráulico al momento de su activación, lo cual indicara a la persona que instala el cilindro si es el adecuado para realizar de una manera satisfactoria el trabajo.
F avance=p *𝜋∗𝐷 2
40 *0.9 [1]
2.3.2.3.2 Fuerza de retracción
Es la fuerza que se genera en el cilindro hidráulico al momento del retroceso, lo cual le indica a la persona que instala el cilindro si es el adecuado para realizar de una manera satisfactoria el trabajo.
F retracción = p *𝜋∗(𝐷 2−𝑑2)
40 *0.9 [2]
Dónde:
10 0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del cilindro (Creus, 2011)
2.3.3 CIRCUITOS HIDRÁULICOS BÁSICOS
En la figura 3 se puede observar el control de un cilindro de doble efecto con una válvula distribuidora de 4 vías y 2 posiciones con accionamiento mecánico.
Figura 3. Circuito hidráulico básico (Creus, 2011)
Partes:
1. Cilindro de doble efecto 2. Válvula 4/2
11
2.4 ELEVADOR HIDRÁULICO
“Para acoplar al tractor los aperos agrícolas suspendidos y semi-suspendidos, se emplean un conjunto de mecanismos que se conocen con el nombre de elevador hidráulico” (Arnal, 1996)
Para realizar el acoplamiento de los diferentes implementos al tractor se usan varios mecanismos a los que en conjunto se les llama elevador hidráulico. El elevador permite obtener una unión eficaz entre el implemento y el tractor, además ayuda a realizar cambios de posición de los implementos como son: bajar el implemento para que realice su trabajo específico o subirlo para realizar el respectivo transporte, de esta manera se puede realizar deferentes maniobras con el implemento enganchado al tractor de una manera muy fácil y segura.
2.4.1 ELEMENTOS QUE LO CONFORMAN
Para empezar primero se debe distinguir dos partes importantes, en primer lugar están los elementos de acople para los implementos llamado enganche de tres puntos y segundo la partes que conforman el elevador hidráulico.
2.4.1.1 Enganche de tres puntos
“la combinación de tractor apero puede ser considerada una sola maquina ya que al ser la unión a través de los tres puntos, la posición del apero respecto al tractor queda perfectamente establecida (de modo fijo o variable a voluntad)”. (Ortíz, 2012)
12 brazos laterales (2) los cuales van uno a cada lado, además tiene dos tensores (3) que van ubicados uno a cada extremo y por último se puede observar que cuenta con dos brazos de levante (4) los cuales permiten acoplar los diferentes implementos agrícolas.
Figura 4.Partes del enganche de tres puntos (Botero, 2012)
Partes:
1. Tercer punto o punto central 2. Brazos laterales
3. Tensores
4. Brazos de levante
2.4.1.2 Elevador hidráulico
El elevador hidráulico está conformado por una gran cantidad de partes como se muestra en la figura 5.
13 Partes:
1. Brazo de levante 2. Bomba
3. Filtro 4. Palanca de control de carga y
profundidad
5. Palanca principal de mando 6. Válvula de mando 7. Bulón de empuje 8. Biela
9. Regulador de velocidad
de descenso 10. Salida a cilindros exteriores 11. Válvula de descarga 12. Embolo
13. Cilindro 14. Sensor de control de carga
15. Leva 16. Carter de aceite
2.4.1.3 Funcionamiento general del elevador hidráulico
Cuando los brazos de levante están a media altura la palanca principal de mando estará en el centro de su recorrido entre D y E, como el distribuidor de la válvula de mando está en posición neutra no permite que el aceite pase al cilindro, así que el aceite regresa nuevamente al Carter, en la figura 6 se puede observar detalladamente su funcionamiento.
14 Partes:
D= Descenso E= Elevación C= Carga
P= Profundidad
Al mover la palanca de mando hacia la posición (E) como lo indica la figura7, el conjunto de varillas mueve al distribuidor de la válvula de mando, en ese momento el aceite tendrá comunicación con el cilindro y el conducto hacia el cárter se cerrará, mediante la presión enviada desde la bomba se consigue que se eleven los brazos de levante.
Si se mueve la palanca principal de mando a la posición (D) como lo muestra la figura 8, el conjunto de varillas tira del distribuidor de la válvula de mando, sin cerrar la comunicación bomba-cárter y abriendo la comunicación cilindro-cárter, permitiendo el descenso de los brazos de levante, la válvula de regulación de velocidad controla a gusto del operador el descenso del implemento.
15 Figura 8.Hidráulico descendiendo
(Arnal, 1996)
2.5 FORMULA DE TRANSFORMACIÓN DE UN PESO A
FUERZA
En el análisis de sistemas de fluidos, algunos profesionales utilizan la unidad lbm (libras masa) como unidad de masa si se desea transformar a lbf (libras fuerza) es necesario usar la constante de conversión que se denomina (gc) (MOTT, 2006)
Para realizar la transformación de un peso a fuerza se usara la ecuación (3) ya que es necesario tener todas las unidades en newton para ingresar los valores al software de diseño y realizar las respectivas simulaciones de esfuerzos y así determinar si la estructura resistirá.
F=m.a [3]
16 lbm = libra masa
lbf= libra fuerza kgf= kilogramo fuerza 1 lbm = 1lbf → g = 32.2𝑝𝑖𝑒𝑠
𝑠𝑒𝑔2
F=m.a = lbm(𝑝𝑖𝑒𝑠
𝑠𝑒𝑔2
)
gc=32.2 𝑙𝑏𝑚
𝑙𝑏𝑓(𝑝𝑖𝑒𝑠
𝑠𝑒𝑐2)
=
32.2 𝑙𝑏𝑚(𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑠𝑒𝑐2)
𝑙𝑏𝑓
F= m
(
𝒂 𝒈𝒄)
[4]Dónde: g=gravedad
gc=constante de conversión a=g
F=m
(
𝑔𝑔𝑐
)
2.6 ESFUERZO CORTANTE
“No en todas las ocasiones los elementos estructurales son tensionados o comprimidos por las fuerzas externas que actúan sobre ellos. En muchas ocasiones un elemento está tratando de ser cortado”. (Salazar, 2007)
El esfuerzo cortante es el que resulta de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Este tipo de esfuerzo formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante como se puede apreciar en la figura 9 el cual se lo calcula mediante la ecuación (6).
𝝉 =𝑽
17 Dónde:
𝝉= Esfuerzo cortante V=Fuerza cortante A= Área
Figura 9.Tensión cortante promedio (Canet, 2009)
2.7 VÁLVULAS DE CONTROL REMOTO
“Una o dos válvulas de control remoto están disponibles para operar cilindros hidráulicos externos, motores, etc. Las válvulas se instalan en la trasera del tractor, a la derecha del levantador hidráulico”. (New Holland, 2009)
18 pegadas junto a las palancas de control. Mediante un tope la palanca fijara la posición que se desee hasta que el cilindro hidráulico alcance el final de su recorrido, la palanca luego regresa automáticamente a la posición de neutro, esto también se lo puede realizar manualmente. A partir de la posición flotar la palanca no regresa automáticamente a neutro, en la figura 11 se puede apreciar las válvulas de control remoto.
Figura 10.Palancas de accionamiento de válvulas de control remoto (New Holland, 2009)
Partes:
1. Palanca de accionamiento de válvulas de control remoto izquierda 2. Palanca de accionamiento de válvulas de control remoto derecha
Figura 11.Válvulas de control remoto (New Holland, 2009)
19 1. Válvula para extender el cilindro izquierdo
2. Válvula para el retroceso del cilindro izquierdo 3. Válvula para extender el cilindro derecho 4. Válvula para el retroceso del cilindro derecho
Es importante limpiar bien los acoples antes de conectar las mangueras de los cilindros externos para de esta manera evitar la contaminación del aceite ya que éste trabaja con el aceite del sistema hidráulico del tractor, por esta razón debe verificarse el aceite cuando se conectan cilindros externos ya que trabajar con un nivel bajo se aceite puede dañar el eje trasero del tractor y componentes de la transmisión, al añadir el aceite en el eje trasero no debe superar los 45 litros, como alternativa se puede usar cilindros de capacidad total de 18 litros sin necesidad de completar el aceite si se trabaja en lugares llanos.
2.7.1 COMO TRABAJAR CON CILINDROS DE DOBLE EFECTO
“Conectar la manguera de alimentación (1) como lo muestra en la figura 12 entre la extremidad del pistón del cilindro de doble efecto el enganche superior (4) de una válvula de control remoto. Conectar la manguera de retorno (2) entre el enganche inferior de la misma válvula y extremidad del vástago del cilindro. Para extender un cilindro de doble efecto, tirar de la palanca de control hacia la posición extender”. (New Holland, 2009)
20 manguera se debe empujar el acople y luego tirar rápidamente de la manguera para que se separe el acople.
Para activar el cilindro de doble efecto se debe tirar de la palanca de control respectiva hacia la posición de “extender”, si desea desactivar el cilindro de doble efecto debe empujar la palanca hacia posición de “retraer”, en caso de que lleve la palanca más allá de la posición de retraer se activará la función de “flotar” lo que permitirá que el cilindro se extienda o retraiga libremente de acuerdo a la fuerza externa.
Figura 12.Como trabajar con cilindros de doble efecto (New Holland, 2009)
Partes:
1. Manguera de alimentación 2. Manguera de retorno 3. Enganche inferior 4. Enganche superior
2.8 TRABAJOS QUE PUEDE REALIZAR UN TRACTOR
21 En la actualidad el uso de tractores es muy común, para el trabajo de titulación se debe enfocar en los trabajos de arrastre ya que el retápe se lo realizara mediante el trabajo conjunto de una surcadora y la retapadora que se construirá más adelante, en la tabla 2 se puede apreciar todos los trabajos que se puede realizar con el tractor agrícola.
Tabla 2.Trabajos que puede realizar un tractor
(Arnal, 1996)
2.9 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS USADOS PARA EL
CULTIVO DE PAPA EN EL ECUADOR
En el Ecuador actualmente se usan una gran cantidad de implementos agrícolas para el cultivo de papa entre los cuales están los arados de discos, las rastras de discos, las rastras de tiro, fumigadoras, cosechadoras, surcadoras etc.
2.9.1 DEFINICIÓN DE IMPLEMENTO AGRÍCOLA
“Son elementos que no cuentan con una generación de energía propia, únicamente transmiten el efecto de la fuerza. Están acoplados al tractor y lo
Estacionarios Por medio de toma de fuerza posterior.
Por medio de equipo hidráulico
De transporte. Remolque
De arrastre. Arados ,rastras, surcadoras, fumigadoras etc.
De empuje. Pala cargadora.
22 utilizan como fuente elemental para la realización de los diferentes trabajos agrícolas”(Yamashita, 2010)
Se fabrican con el fin de disminuir el esfuerzo físico de los agricultores y aumentar la productividad de sus tierras como también sus ganancias ya que antiguamente solo se usaban animales de tiro para realizar las diferentes actividades en la producción de papa lo cual demandaba de mucho tiempo y por lo tanto los costos subían también.
2.9.2 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS DE LABRANZA PRIMARIA
“Es la primera etapa de la remoción del suelo, que es invertido total o parcialmente. Es una operación medianamente profunda, generalmente agresiva, que deja la superficie rugosa y en condiciones no aptas para recibir la semilla.”(Providencia, 2015)
Los implementos de labranza primeria son todos los implementos que trabajan a una profundidad por encima de los 20 cm, en esta etapa se realiza la remoción del suelo, ya sea un invertido total o parcialmente, en el proceso de labranza primaria la superficie queda rugosa y en condiciones inadecuadas para que el terreno pueda recibir la semilla de papa entre estos implementos se tiene los siguientes:
2.9.2.1 Rastra de discos
“Las rastras de discos son herramientas fáciles de utilizar y que dan escasos problemas respecto a su regulación y mantenimiento. El trabajo se realiza generalmente a altas velocidades ya que no demanda grandes esfuerzos de tracción y no afecta la calidad del trabajo”.(Providencia, 2015)
23 terreno para facilitar el trabajo del arado de discos, son muy fáciles de manipular y dan pocos problemas en relación a su regulación y mantenimiento.
Este trabajo se efectúa habitualmente a una velocidad de 9 km/h ya que no necesita grandes esfuerzos de tracción y no afecta la calidad final del trabajo a realizarse ya que no es una actividad que requiera de mucha precisión al momento de ejecutarse.
Figura 13.Rastra de discos (FAO, 2000)
Partes: 1. Bastidor 2. Discos 3. Ruedas
2.9.2.2 Arado de discos
24 El arado de discos como se muestra en la figura 14 es un implemento agrícola que sirve para realizar una labranza primaria.
Cada disco cuenta con su borde tallado en bisel, con un diámetro máximo que oscila entre 500 mm y 1000 mm.
La profundidad de trabajo va en relación con el diámetro del disco, esta debe ser menor a la tercera parte para que el disco pueda realizar su giro como también el volteo de la capa de suelo.
Figura 14. Arado de discos (Providencia, 2015) Partes del arado de discos:
1) Disco.
2) Plato porta disco 3) Maza
25 2.9.3 IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS DE LABRANZA SECUNDARIOS
“La labranza secundaria consiste en una serie de operaciones realizadas sobre la capa superficial del suelo, con el propósito de prepararlo adecuadamente para la germinación de la semilla”.(FAO, 2000)
Son todos los implementos que trabajan a una profundidad menor a 15 cm, estos sirven para realizar la preparación del suelo que va a recibir las semillas el día de la siembra.
2.9.3.1 Surcadora
“El trazador de surcos o surcadora, importante accesorio, permite efectuar siembras en líneas muy paralelas y con una distancia constante”.(FAO, 2000)
Es un implemento de laboreo secundario el cual es utilizado para realizar los surcos o melgas en los terrenos, luego de realizada ésta tarea el terreno está listo para recibir la semilla de papa como se ve en la figura 15, puede utilizarse también para hacer drenajes y eliminar el exceso de agua de los cultivos.
26 2.9.4 MATERIALES USADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE
IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS
“La duración y rendimiento de un implemento agrícola depende fundamentalmente en la calidad del material del que se lo fabrique”.(SMITH, 1999)
En la actualidad se está tratando de sustituir la fundición por acero estampado, con el fin de reducir costos de fabricación, disminución de peso, pero también se desea lograr un aumento en la duración y fuerza de los mismos.
Los materiales usados en la construcción de un implemento agrícola pueden ser:
1. Materiales no metálicos 2. Metales no férreos 3. Metales férreos
2.9.4.1 Materiales no metálicos
“Existe un gran número de materiales no metálicos de sustancial importancia industrial. Es por tanto, absolutamente imprescindible el conocimiento de su naturaleza y características, y de sus ventajas y limitaciones, al objeto de poder determinar cuándo y cómo pueden utilizarse provechosamente en cualquier proyecto”. (DeGarmo, 2002)
27 conocido como lo es la madera del cual se fabrican por lo general muebles y antiguamente algunos implementos agrícolas como arados y yugos para animales de tiro.
2.9.4.2 Metales no férreos
“Los metales no férreos se dividen en pesados y ligeros, los pesados son aquellos cuya densidad es mayor o igual a 5 kg/d𝑚3 y los ligeros son aquellos cuya densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/ d𝑚3 “.(Gallardo, 2012)
Entre los materiales no férreos pesados tenemos el plomo el cual es usado para la creación de baterías y soldaduras, el cobre usado para la realización de cables por su excelente conductividad térmica y eléctrica, el níquel utilizado para fabricación de llaves y cigüeñales, el cromo usado generalmente para la fabricación de catalizadores y el cobalto usado para preparación de aleaciones para uso en temperaturas elevadas
Entre los metales no férreos ligeros tenemos el aluminio usado principalmente para la fabricación de culatas, pistones y carrocerías, el magnesio es usado más comúnmente en la aeronáutica y el titanio usado para la construcción de turbinas.
2.9.4.3 Materiales férreos
“Son aquellos que contienen hierro (Fe) como elemento principal y carbono (C) en proporciones variables. El contenido de carbono es el que clasifica y determina las propiedades de estos productos “. (Gómez, 2007)
28 cualidades y propiedades, otra de las ventajas que tiene el acero es el de poder conformarse mediante la mayoría de los procesos industriales actuales.
Entre las aleaciones más importantes se pueden describir los Aceros al Carbono, en este tipo de acero el Carbono y los elementos residuales, como el Manganeso, Silicio, Fósforo y Azufre, se encuentran en cantidades normales, pero en los aceros de baja aleación los elementos residuales se encuentran arriba de las cantidades normales, pueden estar presentes nuevos elementos, la cantidad total no debe sobrepasar el 3.5% mientras que los en los aceros de alta aleación la cantidad total de elementos aleantes se encuentra de un 10 a 12%.
En estas condiciones, la microestructura de los aceros puede ser profundamente alterada, como también los tratamientos térmicos comerciales deben ser modificados, siendo necesario múltiples operaciones.
Al acero se lo clasifica por su composición química por lo que en AISI-SAE las letras XX indican las cantidades porcentuales de Carbono. Por ejemplo, en las designaciones AISI – SAE, la clase 1023(10xx) significa acero al Carbono, con un 0,23% de Carbono en promedio y en la designación, cuando los dos primeros dígitos son 10, los aceros son al Carbono
29 Tabla 3. Dimensiones y pesos en los ángulos de acero ASTM A 36
Dimensiones Peso Área calidad Denominación mm
ASTM A 36 SAE 1008 a e Kg/m Kg/6m Cm2
AL 75X8 75 8 8.92 54.18 11.36
(DIPAC, 2015)
Tabla 4.Composición química de las planchas de acero
Calidad Designación Carbón manganeso fosforo Azufre Aluminio
Comercial CS TIPO C 0.8 0.6 0.10 0.035
-(DIPAC, 2015)
En los catálogos de las empresas comercializadoras de acero se puede encontrar la fórmula para calcular el peso de plancha de acero. (DIPAC, 2015)
𝑃𝑒𝑠𝑜 =(𝐿𝑥𝐴𝑥𝐸)7.85
1000 [7]
Dónde:
30 2.9.4.4 Soldadura MIG
“La soldadura GMAW utiliza un hilo (alambre) para soldar que se alimenta automáticamente, a una velocidad constante, como un electrodo. Se genera un arco entre el metal base y el hilo, y el calentamiento resultante funde este proporcionando la unión de las placas base”. (Jeffus, 2008)
La alambres para SOLDAR acero al carbono están descritos bajo una designación de la (AWS) del tipo E R 70 S – x
Dónde:
E: electrodo
R: varilla de aporte
70: resistencia mínima a la tracción expresada en miles de libras/pulgada cuadrada (psi)
S: sólido
X: dígito que representa la composición química del electrodo.
31 Tabla 5. Determinación del tipo de Voltaje, Amperaje y Tipo de Gas a
utilizar
(Jeffus, 2008)
2.10 COSTOS DE LA MAQUINARIA AGRÍCOLA
“El uso de maquinaria agrícola ocasiona ciertos costos los cuales deben ser debidamente analizados por el dueño de la maquinaria, de esta manera se puede conseguir una empresa agrícola rentable”. (Polanco, 2007)
Uno de los problemas que más afecta al costo de la maquinaria agrícola es el número de días que se usa durante el año, se calcula que el uso anual de un implemento en una granja es de únicamente 20 días, esto se da porque la mayoría de implementos solo realizan un trabajo específico
Los costos que representa el uso de maquinaria agrícola en una granja es un rubro de gran importancia en los costos globales de producción de un cultivo, la ventaja que obtiene el productor al mecanizar sus actividades se ve reflejada al final de la cosecha ya que la utilidad final es mayor.
Los costos de maquinaria agrícola se dividen en dos:
32 2.10.1 CÁLCULO DE COSTOS FIJOS
“Son aquellos en que se incurre al adquirir la propiedad de una máquina, independiente al empleo que de ella se haga, ellos comprenden: la depreciación los intereses sobre el dinero invertido, seguros, gastos para proteger la maquinaria”. (Rivera, 2006)
Mediante el cálculo de los costos fijos el agricultor puede saber cuánto debe cobrar al momento de alquilar su maquinaria, también le sirve para saber cuánto ahorro genera al momento de mecanizar una actividad en su cultivo, le permite establecer el mejor momento en que se debe remplazar una máquina o un implemento agrícola, y le para saber cuál será el valor de venta o de salvamento de las maquinas e implementos utilizados.
2.10.1.1 Depreciación
“Corresponde a la pérdida del valor que experimenta la máquina y los equipos en el tiempo, como consecuencias de la reducción de su capacidad de trabajo producida por el uso”. (Rivera, 2006)
El desgaste depende del uso que se le dé, una máquina que trabaja más horas se desgastara más rápido, también dependerá de los conocimientos del operador, del mantenimiento que se realice, condiciones en las que trabaja, calidad de diseño y construcción.
La obsolescencia es un elemento muy importante cuando se realiza cálculos de depreciación de maquinaria, ya que actualmente la tecnología avanza a pasos agigantados y cada día aparecen nuevas maquinarias más eficientes, puede pasar que resulte más económico adquirir maquinaria nueva y no esperar que la maquinaria vieja cumpla su vida útil.
33 1. Obsolescencia
2. Condiciones mecánicas de la máquina 3. Tamaño de la máquina
4. Cambios en la metodología de trabajo
La depreciación por el método de la línea recta es un método que se basa en que la depreciación anual de la máquina es constante hasta terminar su vida útil.
La exactitud que brinda el método de la línea recta es aceptable. Otro método se puede realizarlo mediante la siguiente ecuación:
𝑫 =
𝒗𝒊−𝒗𝒇𝒗𝒖 [8]
Dónde:
D = Depreciación
Vi = valor de compra o inicial Vf = valor final o salvamento Vu = vida útil del equipo
Se considera que el 10% del valor de compra de una maquinaria es el valor de salvamento.
2.10.1.2 Interés de capital invertido
34 Este costo se da en el momento que se realiza la compra de una maquina o equipo ya que el dinero que se necesitó para la compra de la maquinaria no está invertido en otro negocio.
La fórmula sugerida para el cálculo es:
𝑳 =𝒗𝒊+𝒗𝒇∗𝒕
𝟐 [9]
Dónde:
L = Interés
Vi = Valor inicial o de compra
Vf = Valor final o de salvamento
T = Tasa de interés
2.10.1.3 Almacenaje y protección
“El costo de almacenamiento se deriva de disponer, mantener y amortizar la instalación determinada a este efecto. Al considerar una construcción cerrada dedicada al almacenamiento de la maquinaria agrícola”. (Rivera, 2006)
35 Para el cálculo se recomienda la siguiente ecuación:
𝑨 =
𝟎.𝟓∗𝒗𝒊𝟏𝟎𝟎∗𝒗𝒖 [10]
Dónde:
A = Almacenaje o bodegaje Vi = Valor inicial
Vu= Vida útil en horas
Se lo puede calcular de acuerdo al área que ocupe la máquina o el equipo dentro del galpón con la siguiente ecuación:
𝑨 =
𝒄𝒕𝑽𝒖∗𝒂 [11]
Dónde:
A = Costo de almacenamiento Vu = Vida útil de la bodega o galpón a = Área útil de la bodega o galpón ct = costo total
2.10.1.4 Reserva de protección
36 Ya que la inversión en maquinaria agrícola suele ser muy grande es necesario proteger las maquinas ya que los trabajos se realizan en terrenos con configuraciones muy irregulares lo cual hace que el trabajo que se realiza sea muy peligroso.
Para realizar el cálculo se toma el 5% anual del valor promedio del equipo agrícola y se calcula mediante la siguiente escisión.
𝑹𝑷 =𝟓%∗𝑽𝒊+𝑽𝒇
𝟐 [12]
Dónde:
RP = Reserva de protección
Vi = Valor inicial
Vf = Valor final
2.10.2 CÁLCULO DE COSTOS VARIABLES
“Corresponde a los gastos que se producen únicamente cuando la maquina esta en uso, como por ejemplo combustibles, lubricantes, reparaciones, y mano de obra”. (Rivera, 2006)
Estos dependerán de la frecuencia en que se use la maquinaria, es decir, mientras más se utilice la maquinaria los costos serán más elevados y viceversa.
37 2.10.2.1 Reparación y mantenimiento
“Este gasto se refiere al incurrido con el objetivo de conservar, reemplazar, reparar piezas y partes delas máquinas y de los equipos que se descartan por el uso”. (Rivera, 2006)
Todo dependerá de uso que le dé y de lo exigente que sea la actividad a realizarse ya que mientras más fuerte sea la labor el desgaste también será mayor y por lo tanto las reparaciones y el mantenimiento deberán ser más frecuentes.
Es recomendable llevar registros detallados de todo lo referente a mantenimiento y reparaciones para que los cálculos sean más exactos.
La ecuación que se usa para el cálculo de este tipo de costos es la siguiente:
𝑹 𝒀 𝑴 =𝑽𝒊∗𝒊
𝟏𝟎𝟎 [13]
Dónde:
R y M = Reparación y Mantenimiento Vi = Valor inicial del equipo
i = Costo inicial por 100 horas de trabajo
38 “Este tipo de costos es de gran importancia en cuanto al funcionamiento de la máquina. Para realizar este cálculo se necesita tener las especificaciones del motor que se va a analizar”. (Diésel)”. (Polanco, 2007)
Tanto el combustible como el aceite que lubrican las partes móviles del tractor son muy importantes y su consumo dependerá directamente que cuanto se use la máquina, es decir que mientras más la usemos el costo se ira elevando paulatinamente.
Con la ecuación 14 se puede realizar un cálculo muy preciso del consumo y el costo, para motores que usan ACPM.
𝑪𝑪 = 𝟎. 𝟎𝟔 ∗ 𝒉𝒑 [14]
Dónde:
CC=consumo de combustible Hp=caballos de fuerza
Para obtener el costo del combustible solo se debe multiplicar el resultado obtenido por el precio actual del combustible.
2.10.2.3 Mano de obra
“Las operaciones realizadas con maquinaria agrícola requieren la intervención mínima de un operario, es por esto que el costo de operación debe incluir el costo de esta mano de obra”. (Polanco, 2007)
39
2.11 CONTROL ELECTRÓNICO
“Desde el punto de vista de la teoría de control, un sistema o proceso está formado por un conjunto de elementos relacionados entre sí que ofrecen señales de salida en función de las señales de entrada”. (Reyes , 2001)
Cada elemento electrónico que forma parte del circuito tiene una función específica para su funcionamiento adecuado, es importante decir que no es indispensable saber el funcionamiento interno de cada elemento electrónico, solo es necesario conocer la relación que existe entre la entrada y la salida del proceso que realiza, es decir cómo se comporta la señal de salida con respecto a una variación de la señal de entrada.
Para la construcción del controlador de ángulos se utilizara algunos elementos electrónicos los cuales se mencionan a continuación en la tabla 6.
Tabla 6.Símbolos electrónicos
(Aguilar, 2015) Símbolos electrónicos
Resistencia fija Capacitor no polarizado Capacitor polarizado
Bobina Tierra o negativo de batería Tierra física o chasis
Diodo rectificador Diodo zener Diodo emisor de luz
40 Tabla 6. Símbolos electrónicos (continuación…)
Lámpara Transformador Interruptor
Transistor NPN Transistor PNP Bocina
Medidor Circuito integrado Relé
(Aguilar, 2015)
2.11.1 RESISTENCIAS
“En electricidad, las resistencias cumplen una misión que ya todos conocemos, la de oponerse al paso de corriente y transformar la energía eléctrica en calor, en los circuitos electrónicos, las resistencias cumplen un papel más especial el cual es permitir la distribución adecuada de la tensión y la corriente eléctrica en los diferentes puntos del circuito eléctrico.” (Alcalde, 2010)
41 sección. Las resistencias son sensibles a la temperatura, es decir que esta afecta el coeficiente de resistividad de las mismas como se ve en la tabla 7.
Figura 16.Resistencia fija (Mecatrónica, 2010)
Tabla 7.Valores de resistividad de los materiales
VALORES DE RESISTIVIDAD DE LOS MATERIALES
MATERIAL RESISTIVIDAD A 20 GRADOS CENTÍGRADOS
Aluminio (Al) 0.0283 Cobre (Cu) 0.0172 Hierro (Fe) 0.12
Plata (Ag) 0.0163
Constantan 0.5
Niquelina 0.4
Nicrohm 1.1
Manganita 0.43
