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Test of a contraphase vibrating mode of the fruit-peduncle system for selective
coffee harvesting

Benjamín Gaskins Espinosa¹, Arturo Martínez Rodríguez², Oscar Llanes Guerra³ y Raúl Gutiérrez⁴

RESUMEN. La cosecha mecanizada del café presenta el inconveniente de que, en el momento de la cosecha, las plantas presentan frutos en diferentes estadios de maduración, siendo en extremo difícil lograr un grado aceptable de selectividad. Estudios recientes sobre la cosecha selectiva del café por vibración, realizados mediante la modelación matemática y la simulación con herramientas CAD del sistema fruto-pedúnculo, indican la necesidad de aplicar frecuencias de excitación en el entorno de un modo de vibración en contrafase del sistema fruto-pedúnculo. Estas frecuencias presentan valores notablemente altos en comparación con los que se aplican habitualmente a nivel internacional para la cosecha del café, mediante la aplicación de vibraciones (en el orden de los 20 Hz). Los ensayos fueron realizados a nivel de laboratorio, se empleó una instalación experimental construida a los efectos, excitándose ramas aisladas de café Caturra, a una frecuencia en el entorno de los 200 Hz y aplicando la excitación en la dirección longitudinal de las ramas. El contenido de granos verdes en la masa cosechada osciló entre 3,8 y 5,15 % para las variedades Caturra Amarillo y Rojo respectivamente, obteniéndose un 100 % de desprendimiento de cerezos maduros y pintones para ambas variedades.

ABSTRACT. Coffee is characterized to present different maturation stages during harvest period, which confers a high grade of difficulty to the harvest mechanization task, being difficult to achieve a satisfactory level of selectivity (high content of mature- low content of inmature fruits within the harvested mass). Recent theoretical investigations carried out on the base of the mathematical modeling and CAD tool simulation of the coffee fruit-peduncle system, indicate that with the application of vibrational frequencies much higher to those historically used overseas (near of 20 Hz), can be expected an important qualitative jump in the selectivity levels during mechanized coffee harvesting. The research was carried out in a laboratory using an experimental vibrational unit able to simulate the desired effects, acchieving the excitation of isolates coffee branches (caturra variety) by shaking it in lateral and longitudinal direction, in a range of frequencies corresponding to a counter-phase vibrating mode of the fruit-peduncle system near to 200 Hz.. Content of immature fruits in the harvested mass oscillated between 3,8 and 5,15 % for the varieties Yellow and Red Caturra respectively, being obtained 100 % of detachment of mature cherries for both varieties.

¹ Ing., Prof., Facultad de Ingeniería, Universidad de Granma, Prov. Granma, Cuba, E-mail: gaskin@udg.co.cu

² Dr., Prof. e. Inv. Titular, Universidad Agraria de La Habana-CEMA, La Habana, CP: 32700.

⁴ M. Sc., Ing. Prof., Facultad de Ingeniería, Universidad de Granma, Prov. Granma, Cuba.

La producción de café desempeña un importante papel en la economía de numerosos países del tercer mundo, constituyendo una fuente apreciable de moneda libremente convertible para los principales países exportadores, al ser un producto de alta demanda en el mercado internacional. Asimismo constituye una fuente primaria de subsistencia para cientos de miles de agricultores de estos países, cuya economía depende de este renglón.

Dentro de los costos de producción del café, la mano de obra invertida en la cosecha representa más del 25 %, reportándose datos de costos del proceso de cosecha de hasta 70 % del costo de producción total (11). Adicionalmente, al beneficio económico, la aplicación de medios mecanizados que faciliten la cosecha representa un elemento de humanización de la actividad que, en el caso particular del café, constituye una labor que requiere un gran esfuerzo físico.

En el ámbito mundial no ha podido desarrollarse un sistema de cosecha del café que posibilite el desprendimiento selectivo de los granos, ya que los sistemas actuales de cosecha mecanizada provocan la caída de un alto por ciento de cerezos verdes, lo cual por un lado incide en la elevación de las pérdidas y por otro disminuye la calidad del producto.

Los principales avances obtenidos hasta el presente en cuanto a la mecanización de la cosecha del café, sólo han podido ser aplicados por grandes productores en condiciones particulares de clima y con condiciones de infraestructura de regadío, que posibilitan aplicar técnicas que logran determinada uniformidad de la maduración de los granos (5).

No obstante, tales condiciones climáticas y de relieve del terreno, así como la posibilidad de contar con sistemas de irrigación, no son condiciones comunes a la inmensa mayoría de las zonas cafetaleras al nivel mundial.

El principio que con mayor nivel de éxito ha sido investigado y empleado hasta el presente, para lograr el desprendimiento de los frutos de café por vía mecánica, ha sido el de la aplicación de vibraciones a las plantas o al follaje.

Mundialmente, una amplia gama de estudios han sido realizados (1)(2)(3)(4)(6)(7) con vistas a lograr regímenes de trabajo que logren el desprendimiento selectivo de los frutos de café (desprendimiento masivo de frutos maduros con mínimo desprendimiento de frutos verdes), pero hasta el presente no ha sido posible lograrlo.

Recientes investigaciones teóricas efectuadas a partir de la modelación matemática del sistema fruto pedúnculo (8) y la simulación con herramientas CAD (9) indican que con el empleo de frecuencias de vibración muy superiores a las empleadas históricamente y en la actualidad a nivel mundial, sería posible dar un salto cualitativo importante en la aspiración de lograr altos niveles de selectividad durante la cosecha del café con el auxilio de medios mecanizados.

Estas frecuencias presentan valores notablemente altos (10 veces superiores) en comparación con los que se aplican habitualmente a nivel internacional para la cosecha del café, mediante la aplicación de vibraciones (en el orden de los 20 Hz).

Con estos altos niveles de la frecuencia se pronostica que el sistema fruto-pedicelo-pedúnculo asuma un modo de vibración en contrafase (8)(9), caracterizado por la ocurrencia de flexiones acentuadas en la zona de unión del pedicelo y el
pericarpio, lo cual es favorable para el desprendimiento de los frutos maduros (12). Este modo de vibración se caracteriza, además, por presentar mayor distanciamiento entre las frecuencias de resonancia correspondientes a los frutos en diferentes estadios de maduración, lo cual también es favorable desde el punto de vista de lograr mejores indicadores en la selectividad de la cosecha.

En el trabajo se brindan los resultados obtenidos durante la aplicación, a nivel de laboratorio, de vibraciones a ramas de cafeto en el entorno de frecuencias correspondientes a un modo de vibración en contrafase del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo, dirigido a la elevación de los indicadores de calidad durante la cosecha selectiva del café.

La evaluación experimental del modo de vibración en contrafase del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo se efectuó a escala de laboratorio, empleando una instalación experimental para la generación de la excitación y sometiendo a vibraciones ramas completas de café de dos variedades estudiadas.

La instalación experimental fue construida de tal manera que pudieran ser ajustados, tanto la frecuencia de las vibraciones como su amplitud.

La Figura 1 muestra un esquema cinemático de la instalación, en la cual las vibraciones eran generadas por la rotación de una leva elíptica que describía dos ciclos de vibración por cada vuelta. La tendencia al patinaje o al salto de la leva con respecto a la superficie del disco rotatorio era controlada manteniéndola aprisionada al disco, mediante la acción de un resorte de frecuencia natural apropiada y con posibilidades de pretensión.

FIGURA 1. Esquema cinemático de la instalación experimental para la aplicación de vibraciones a las ramas de cafeto.

El entorno de las frecuencias de vibración era aproximado mediante una transmisión por correas y poleas entre el motor y el disco rotatorio, mientras que el ajuste fino de la frecuencia de las vibraciones podía efectuarse a través de la variación del radio r de colocación de la leva con respecto al eje del disco rotatorio. Un valor promedio de la amplitud de las vibraciones se fijaba a través de la ovalidad de la leva y la relación de palancas de la varilla amplificadora, pudiendo ajustarse la amplitud mediante el cambio de posición del punto de pivote de la varilla.

La frecuencia de las vibraciones resultante era comprobada midiendo la velocidad de rotación de la leva por medio de un fototacómetro con exactitud hasta 1 Hz. La amplitud era calculada en dependencia de la relación de palancas en la varilla amplificadora.

Una vez ajustadas la frecuencia y amplitud de la excitación, las muestras a vibrar eran fijadas a la varilla como se muestra en la Figura 2. Para la fijación de las ramas el extremo libre de la varilla amplificadora era desplazado hacia abajo, de manera que la leva perdiera el contacto con el disco rotatorio. Una vez fijada la muestra se soltaba suavemente el extremo de la varilla, hasta que la leva restableciera el contacto con el disco bajo los efectos del resorte, transmitiéndose entonces las vibraciones a la rama ensayada. Los frutos desprendidos eran recopilados en una bandeja situada en la parte inferior de la instalación, para su posterior procesamiento estadístico.

Para el muestreo se utilizó un diseño experimental completamente aleatorizado. Las muestras fueron tomadas en plantaciones de café en áreas experimentales del Instituto de Ciencias Agrícolas (INCA) en la finca «Las Papas», San José de las Lajas, La Habana. Las variedades objeto de estudio fueron Caturra Rojo y Caturra Amarillo. Los experimentos fueron realizados durante cuatro días consecutivos en horario de la mañana, tomándose las muestras a las 8:00 a.m. Durante los cuatro días de medición la temperatura atmosférica osciló entre 23 y 25 ^oC y la humedad relativa entre 82 y 87 %. de aplicación de la excitación con un cronómetro con exactitud de 0,1 s.

Una vez concluido el proceso de vibración se efectuaba el conteo de los frutos desprendidos y los quedados en las ramas, determinándose los indicadores siguientes:

madr: cantidad de frutos maduros en las ramas antes de aplicar las vibraciones.

Asimismo fueron determinados otros indicadores relativos al tipo de fallo durante el desprendimiento de los frutos maduros y pintones, como se muestra en la Figura 3.

FIGURA 2. Foto tomada a la instalación experimental para la aplicación de vibraciones a las ramas de cafeto.

El grado de maduración de los frutos en las ramas tomadas como muestras se determinó dividiendo el total de frutos maduros entre la suma total de frutos por rama.

El tamaño mínimo de la muestra se calculó con el procesador estadístico SAMPLE para un nivel de significación del 90 % y un error de la media del 10 %.

Para efectuar el cálculo se procesaron los datos de un preexperimento inicial efectuado con 25 ramas de café.

Como resultado del procesamiento estadístico del preexperimento se determinó un tamaño mínimo de la muestra de 195 y 178 ramas para las variedades Caturra Rojo y Amarillo respectivamente, asumiéndose entonces como tamaño de la muestra la cantidad de 200 ramas en ambos casos.

Las muestras seleccionadas fueron sometidas a vibraciones en el entorno de 180 Hz con un nivel de amplitud de 3 mm, prolongándose las vibraciones hasta provocar la caída del total de frutos maduros, midiéndose entonces el tiempo

K2: Por ciento de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-epicarpio sin rotura del epicarpio;

K3: Por ciento de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-epicarpio con rotura del epicarpio;

K1: Por ciento de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-epicarpio, K1 = K2 + K3;

K4: Por ciento de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-pedúnculo.

F_dsp-e:Cantidad de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-epicarpio sin rotura del epicarpio.

F_dcrp: Cantidad de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-epicarpio con rotura del epicarpio.

F_dp-p:Cantidad de frutos (maduros + pintones) desprendidos por fallo de la unión pedicelo-pedúnculo.

Los datos obtenidos de las mediciones experimentales fueron procesados empleando el software Statgraphic Plus 5.1 ESP, obteniéndose para cada indicador objeto de estudio los principales estadígrafos, tales como: media, desviación Standard y error de la media. Asimismo, en algunos casos, se aplicó la prueba de Duncan para la determinación de diferencias significativas entre algunos indicadores obtenidos en los que se consideró de interés. Esta prueba se realizó para un nivel de significación de 0,05.

Como resultado del procesamiento estadístico de los datos obtenidos de los experimentos, se determinaron los principales estadígrafos que caracterizaron los parámetros siguientes:

En la Tabla 1 se muestran los estadígrafos obtenidos para el grado de maduración de las ramas de las dos variedades ensayadas.

Como se observa, el por ciento de maduración medio fue de 54,31 y 58,38 por ciento de las variedades Caturra Rojo y Caturra Amarillo respectivamente, obteniéndose como resultado de la prueba de Duncan diferencias significativas entre las medias de ambas variedades.

TABLA 1. Grado de maduración de las ramas ensayadas

En la Tabla 2 se brindan los resultados obtenidos en relación con el tiempo de aplicación de las vibraciones, requerido para el desprendimiento del 100 % de los frutos maduros sometidos a un régimen de vibraciones en el entorno de un modo de vibración en contrafase, aplicadas a las ramas en el sentido longitudinal con una amplitud de 3 mm.

De la comparación entre variedades, la prueba de Duncan arrojó diferencias significativas para ambas variedades, requiriendo la variedad Caturra Amarillo un menor tiempo de aplicación de las vibraciones.

Un experimento similar fue efectuado por Martínez (1989), sometiendo a vibraciones en el laboratorio a ramas de estas mismas variedades y plantación, también en la dirección longitudinal, aunque en el entorno de un modo pendular de vibraciones (20… 25 Hz) y con amplitudes de 10 mm, requiriendo un tiempo de la excitación de 60 s para el desprendimiento de menos del 80 % de los frutos maduros. Si se compara el tiempo medio obtenido con el modo de vibración en contrafase (entre 6 y 7 s) se aprecia una notable diferencia, a pesar de haberse empleado una amplitud mucho menor.

En Figura 4 se brindan los resultados medios obtenidos para los indicadores de selectividad de la cosecha, producto de la aplicación a las ramas ensayadas de una excitación, a una frecuencia correspondiente, a un modo de vibración en contrafase (185 Hz) con una amplitud de 3 mm y un tiempo de aplicación de la excitación de 6 y 7 s para las variedades objeto de estudio.

En la Figura 4 se aprecian resultados altamente positivos en relación con la selectividad de la cosecha. En el caso de la variedad Caturra Rojo se obtuvo un promedio cercano al 95 % de frutos maduros y pintones en la masa cosechada, con solo un 5 % de frutos verdes. En el caso de la variedad Caturra Amarillo, se obtuvieron resultados algo superiores (96 % de frutos maduros y 3,5 % de verdes en la masa cosechada), aunque desde el punto de vista de la selectividad de la cosecha son prácticamente iguales, ya que esta variedad presentó un grado de maduración algo mayor en el momento del ensayo.

FIGURA 4. Por ciento de desprendimiento de los frutos con respecto a la masa total.

En la Tabla 3 se reflejan los estadígrafos relacionados con los indicadores de selectividad obtenidos de la cosecha, apreciándose un error de la media inferior al 6,5 % en todos los casos.

TABLA 3. Por ciento de frutos maduros desprendidos respecto a la masa total

Ampliando el análisis comparativo de estos resultados con los obtenidos por Martínez (1989) en el entorno de un modo de vibración pendular, este obtuvo menos de un 80 % de desprendimiento de los frutos maduros en relación con la masa total cosechada y alrededor del 25 % de desprendimiento de frutos verdes, aplicando una frecuencia de 20 Hz y una amplitud de 20 mm. En otro experimento con amplitudes del orden de 10 mm, disminuyó el por ciento de frutos verdes desprendidos al 20 %, pero el por ciento de frutos maduros desprendidos no superó un 70 %.

En la Tabla 4 se muestran los valores obtenidos para los indicadores relativos al tipo de fallo durante el desprendimiento de los frutos maduros y pintones.

De los resultados obtenidos se observaron tres de las cuatro formas de desprendimiento del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo (Figura 3) descritas por Tongumpai, 1993 (aplicando fuerzas de tracción) y por Martínez y col. 2006 (aplicando momento flector). Esto se debió, fundamentalmente, a que la cuarta forma (fallo de la unión pedúnculo-rama) se produce fundamentalmente en las formaciones de frutos verdes, lo cual no fue estudiado.

Asimismo se aprecia que entre un 80 y 87 % de los fallos se produjeron en la unión pedicelo-epicarpio, predominando los ocurridos con ruptura del epicarpio (64,67 %).

TABLA 4. Lugar de falla del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo

Este tipo de fallo consolida los resultados obtenidos en el análisis modal (9), donde bajo un modo de vibración en contrafase las máximas deflexiones del SFP ocurren en la zona próxima a la unión del pedicelo y el epicarpio. Igualmente se consolida la hipótesis (7)(8) de que los momentos flectores en esta zona constituyen la causa fundamental del desprendimiento de los frutos por vibración.

• El ensayo experimental de un modo de vibración en contratase del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo (en el entorno de 180 Hz) arrojó que un tiempo de vibración entre 6…7 s, es suficiente para lograr el desprendimiento del 100 % de los frutos maduros, obteniéndose un bajo contenido de frutos verdes en la masa cosechada, que osciló entre un 3,53 y un 5,09 % para las variedades Caturra Amarillo y Caturra Rojo, respectivamente.

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