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Experimental research of the dynamics of the working of the crosscutter of the sugar cane harvester

RESUMEN. El trabajo de los accionamientos hidráulicos en régimen permanente (establecido) solo puede asumirse de forma condicional, con ayuda de una gran idealización, debido a que el régimen establecido puede verse solamente como algo instantáneo. La irregularidad de la carga en los órganos de trabajo de las cosechadoras en condiciones de trabajo real conlleva a la existencia de acciones perturbadoras del tipo variación de la carga y del tipo oscilaciones del caudal en el sistema hidráulico. Por todo lo anterior se hace necesario estudiar la reacción del sistema (accionamiento hidráulico) ante la acción de las influencias de entrada (cargas de explotación), que poseen carácter estocástico. Como resultado del trabajo se realizó el análisis espectral de la presión en el sistema hidráulico del aparato trozador de la cosechadora de caña, se cuantificaron los parámetros relacionados con la calidad del corte (longitud del corte de los trozos, calidad del troceado) y el coeficiente de seguridad tecnológica.

ABSTRACT. The work of the hydraulic drives in permanent regime (established) can only be assumed on conditionally, with the assistance of a great idealization, because the regime established can be seen only as something instant. The irregularity of the loads in the combine harvester in conditions of real work leads to the existence of actions disturbing the type variation of the load and the type oscillation of flow in the hydraulic system. For the above it is necessary study the reaction of the system (hydraulic drives) before the action of the influences of entry (loads of exploitation), which possess stochastic character. As a result of the work was carried out the spectral analysis of the pressure in the hydraulic system of the crosscutter apparatus to combine harvester of cane, were quantified the parameters related to the quality of court (length of the cut of the pieces, quality of crosscutting) and the technological safety coefficient.

El trabajo de los accionamientos hidráulicos en régimen permanente (establecido) solo puede asumirse de forma condicional, con ayuda de una gran idealización según Lurie A. B. [1], debido a que el régimen establecido puede verse solamente como algo instantáneo.

La irregularidad de la carga en los órganos de trabajo de las cosechadoras en condiciones de trabajo real conlleva a la existencia de acciones perturbadoras del tipo variación de la carga y del tipo oscilaciones del caudal en el sistema hidráulico.

Por todo lo anterior se hace necesario estudiar la reacción del sistema (accionamiento hidráulico) ante la acción de las influencias de entrada (cargas de explotación), que poseen carácter estocástico.

¹Dr. Ing., Centro de Desarrollo de la Maquinaria, Calle Peralta # 65 esquina a Coliseo, Reparto Peralta, Holguín, CP 80100, Cuba, E-mail: jperez@cedema.cu, Tel. 5324 424362

El sistema hidráulico objeto de análisis, representado en la Figura 1, está compuesto por una bomba (P), que trabaja a régimen de caudal constante, la cual alimenta a dos hidromotores de cilindrada constante (1 y 2), los cuales están unidos mecánicamente a través de un árbol (6), lo que hace que los mismos trabajen como divisor de flujo alimentando a los hidromotores 3 y 4 conectados en serie con respecto a los primeros. Cada hidromotor se caracteriza por su desplazamiento volumétrico, sobre los mismos actúan las cargas, así como los momentos de inercia de las partes móviles de los órganos de trabajo a ellos acoplados, se tienen en cuenta, además, las pérdidas por fricción viscosa. El sistema cuenta con válvulas de seguridad (V) para la protección de las sobrecargas, además una red de tubos y mangueras que unen mediante un circuito en serie-paralelo los elementos del sistema, para los cuales las características de elasticidad están dadas por sus volúmenes respectivos, el módulo de elasticidad conjunta del líquido y el material de la misma.

En la Tabla 1 aparecen los coeficientes de calibración de las diferentes magnitudes medidas.

De la carreta donde se recoge la caña cortada por la combinada durante la medición se tomarán, de tres puntos diferentes, a razón de 3040 trozos de cada uno y se medirán de extremo a extremo, siguiendo una línea recta para determinar la longitud del trozo, además se cuantificará el número de cortes limpios, escalonados y desgarrados.

El procesamiento estadístico realizado para la caracterización de las variables objeto de estudio se efectuó a partir de los datos obtenidos para todos los regímenes de explotación investigados con ayuda de los programas desarrollados por la Universidad de Holguín y el CEDEMA, así como por Microcal Origin. Los parámetros estadísticos fundamentales se muestran para el régimen de vacío (Tabla 2), cosecha (Tablas 4 y 5) y para los procesos transitorios (Tabla 3), en todos los casos se considera que las distribuciones se subordinan a la ley de Gauss (distribución normal) [9].

Magnitudes en el régimen de funcionamiento en vacío y durante las paradas transitorias

En la Tabla 2 se reflejan los parámetros estadísticos fundamentales en el régimen de vacío, aquí se observa que en el aparato trozador la presión media es de 5,0 MPa, la frecuencia de rotación media es de 300 min^-1..

TABLA 2. Características de las variables del sistema durante el régimen de vacío

En la Tabla 3 se ofrecen los valores máximos para los procesos de arranque, cosecha y contramarcha. En todos los casos se observa que los valores medios de las cargas actuantes en estos regímenes son muy altos, siendo por su orden de 16,8; 14,5 y 19,7 MPa, lo que supera en 2,5; 2,2 y 2,98 veces la presión media necesaria para efectuar el troceado en condiciones normales de explotación.

Las pruebas de campo se realizaron variando tres factores: variedad de la caña, dirección de inclinación de las plantas con respecto al movimiento de la máquina y rendimiento agrícola de la parcela (Tabla 3). El diseño experimental permitió caracterizar estadísticamente la influencia de los factores rendimiento, variedad e inclinación de la planta, sobre las cargas de explotación del aparato trozador de la cosechadora de caña. Los resultados se muestran en las Tablas 4 y 5 para cada una de las variables objeto de estudio y de las correspondientes características agrícolas de cada una de las parcelas de prueba.

En las Tablas 4 y 5 se observa que la presión media osciló en el aparato trozador para el régimen de cosecha entre 5,6 y 8,2 MPa, siendo el valor medio de 6,6 MPa.

TABLA 4. Características de las variables del sistema durante el proceso de cosecha en diferentes rendimientos y sentidos de movimiento

Durante las pruebas de explotación de la maquinaria agrícola, equipadas con accionamiento hidráulico, se debe prestar especial atención a la valoración de sus características funcionales, al estudio de los procesos de transición de alcance del régimen de trabajo, grado de sobre regulación y estabilidad del régimen de velocidades.

Para los procesos reales aleatorios que tienen lugar durante el trabajo de los agregados agrícolas, la característica física más palpable es la densidad espectral, la cual determina el espectro de la dispersión del proceso aleatorio y su composición de frecuencias [1].

En la Figura 2 se muestra la densidad espectral de la presión en el disco de corte, y en la Figura 2, la densidad espectral de la presión en el picador, en esta última se observa la zona de baja frecuencia del espectro en el rango 0 a 1,5 Hz.

La longitud del corte de los trozos por el picador (Tabla 6) se comportó de la siguiente forma: del total de trozos muestreados el 9,92 % está en el rango de menos de 250 mm de longitud, el 87,02 % en el rango de 250 a 350 mm de longitud y el 3,05 % tiene más de 350 mm de longitud.

La calidad del troceado (Tabla 7) alcanzó el 78 % de corte limpio, el 13 % de corte escalonado y el 9,14 % de corte desgarrado, en la Tabla 7 se puede observar la diferencia significativa en el porcentaje del corte limpio del picador de la cosechadora KTP-4 en comparación con los otros modelos.

La zona de baja frecuencia se produce por la influencia del material cosechado, el ancho del espectro se ve influenciado por la velocidad de traslación de la máquina, lo cual sucede de forma análoga a las máquinas cosechadoras de cereales [1,5], puede observarse (Figura 3) el efecto de filtro [5], atenuando las oscilaciones de frecuencias mayores de 1,5 Hz, lo que se corresponde con las características de frecuencia del sistema hidráulico.

TABLA 6. Longitudes promedio de la caña en los medios de transporte por modelo de cosechadora

TABLA 7. Calidad del corte de la caña por el picador por modelo de cosechadora

• Coeficiente de seguridad tecnológica

El coeficiente de seguridad tecnológica como puede observarse en la Tabla 8 se comportó de forma similar a las cosechadoras de firmas internacionales, las cuales poseen el modo de operación reversible y muy superior al de las cosechadoras producidas nacionalmente de forma seriada [4].

TABLA 8. Coeficientes de seguridad tecnológica de las cosechadoras de caña

CONCLUSIONES

• El análisis espectral de la presión en el sistema hidráulico del aparato trozador de la cosechadora de caña, durante su explotación muestra los siguientes resultados:

• La longitud del corte de los trozos por el picador se comportó de la siguiente forma (Rango admisible: 80 % entre 250 y 400 mm):

• El coeficiente de seguridad tecnológica se comportó de forma similar al de las cosechadoras producidas internacionalmente, siendo entre un 4 % y 6 % superior al de las cosechadoras producidas de forma seriada.

1. LURIE A, B.: Dinámica estadística de los agregados agrícolas ( en ruso), Editorial Kolos, Leningrado, 1970.

2. PADRÓN, R. B.; D. KAPITONOV y G. ARIAS POLO: Investigación del accionamiento hidráulico del aparato de corte inferior de las combinadas de producción nacional, CICMA, Ciudad de La Habana, 1980.

3. PASCUAL, MANUEL: «Investigación sobre los picadores de las combinadas cañeras», Revista ATAC, Año 32(3):30, mayo-junio, La Habana, 1973.

4. PÉREZ PUPO, J.R.: Análisis teórico experimental del accionamiento hidráulico del aparato trozador de la cosechadora de caña, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas), Universidad de Holguín, 2006.

5. POGORIELI, L. V.: Métodos ingenieriles de pruebas de máquinas agrícolas, 176 pp. (en ruso), Editorial Técnica, Kiev, 1981.

6. PÉREZ GUERRERO, J, N.: Fundamentos científicos, técnicos y metodológicos para la determinación de los parámetros del mecanismo de corte inferior de la cosechadora de caña, 105 pp., Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas), Universidad de Holguín, 1997.

7. RAMÍREZ, YMMER: «Evaluación de la cosechadora de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) modelo KTP-2, en Guanare, Venezuela», Revista Unellez de Ciencia y Tecnología, 17(1): 67-79, 1999.

8. RIPOLI, T. C.: Comparative Study of Operational Performance of Three Harvesters in Green Cane, 11 pp., An ASAE Meeting Presentation, Paper No. 011005, Sacramento, CA., 2000.

9. SÁNCHEZ, A. y J. REEMBERTO: Realización de pruebas tensométricas a la cosechadora KTP-3 y procesamiento estadístico de la información experimental, 154 pp., Informe Técnico, ISTH «Oscar Lucero Moya», Holguín, Cuba, 1989.

10. VALENCIA LEONARDO, E.: «Fenómenos transitorios en acoplamientos hidrostáticos», Fluidos Nº 107, vol. 14(2): 95-110, 1985.