cosechadora innovar
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Cosechadora de frutos por pulsos de aire
Universidad Nacional del LitoralCONICETAngers SRL
Cosechadora de frutos por pulsos de aire
El advenimiento de los métodos de cultivo intensivo para el olivo requiere nuevos métodos de cosecha automáticos que reemplacen la cosecha manual, debido a su ineficiencia y riesgos intrínsecos.
La gran mayoría de los diseños actuales de cosechadoras automáticas son del tipo mecánico. La caída del fruto se produce sacudiendo la planta por medio de contrapesos rotativos aplicados al tronco o golpeando las ramas con varillas.
Este tipo de cosechadora produce daños sobre las hojas, las brindillas y en general toda la estructura de la planta.
Además suelen ser pesadas, dañando la raíz sobre todo en terrenos de baja compactación como es común en nuestro país.
Desde hace tiempo se buscan métodos de cosecha que no tengan contacto físico con la planta. Una posibilidad es el uso de potentes corrientes de aire. De hecho, es la forma natural en que
usualmente caen los frutos durante las tormentas y vientos fuertes.
Sin embargo, la velocidad de viento necesaria para producir la caída del fruto es demasiado alta, requiriendo turbinas muy potentes con el inconveniente del peso elevado y el daño a la planta (como con las cosechadoras mecánicas).
Se estima que la fuerza necesaria para arrancar una aceituna es de 300 grf, mientras que la fuerza de arrastre producida por un viento de 360kmh es menor a 50grf.
La fuerza necesaria para arrancar la aceituna puede reducirse drásticamente si se aplican cargas cíclicas, produciendo la fatiga del material.
Resorte de acero roto por fatiga
Todos los sistemas mecánicos tienen “frecuencias de resonancia”. Aplicándoles cargas cíclicas en esas frecuencias es más probable que se rompan.
El puende te Tacoma-Narrows fue destruido por la resonancia producida por un viento de 67kmh cuyas cargas aerodinámicas excitaron un modo de resonancia en 0.2Hz.
El puente de Angers fue destruido en 1850 cuando un ejército de 478 soldados marchando sobre el mismo a paso redoblado entró en resonancia.
¿Cuál es la frecuencia más apropiada para arrancar las aceitunas?
A continuación vemos los dos modos de resonancia más importantes.
Primer modo (frecuencia más baja)
2do modo (frecuencia más alta). Notar las tensiones de compresión (rojo) y tracción (azules) más altas.
Se caracteriza por una frecuencia baja y tensiones sobre el pedúnculo bajas.
La base del pedúnculo y la aceituna se mueven en fase.
Grandes desplazamientos del centro de masa de la aceituna (por lo tanto bajas frecuencias)(video elastld-w1.asf)
Primer modo de resonancia
Se caracteriza por una frecuencia más alta y tensiones sobre el pedúnculo más grandes.
La base del pedúnculo y la aceituna se mueven en contrafase.Pequeños desplazamientos del centro de gravedad de la aceituna. Prácticamente la aceituna oscila alrededor de su centro de gravedad (videoelastld-w2.asf)
Segundo modo de resonancia
¿Como producir cargas cíclicas? Existen varios
diseños conceptuales de cosechadoras por pulsos de aire. La mayoría de ellas genera los pulsos abriendo y cerrando cíclicamente un pasaje de aire
Pero, acelerar y desacelerar el flujo es ineficiente!!Esta estrategia es muy ineficiente debido a que acelera y
desacelera el flujo lo cual requiere grandes cantidades de energía debido a la inercia del fluido. Si bien el aire es un fluido muy liviano las altas velocidades (150kmh) y las frecuencias de pulso necesarias (aprox 20Hz) implican un importante efecto de inercia del fluido. Para tener una idea, el empuje producido por el chorro de aire es de 240Kgf.
¿Como producir cargas cíclicas sin detener el flujo? Solución: DESVIAR el flujo en vez de DETENERLO
Analogía: El Aikido es un arte marcial que se basa en desviar y redireccionar el impulso del contrincante en vez de oponerse directamente al mismo.
Movimiento alternativo vs. rotativo Finalmente hay una mejora adicional. En vez de
mover en forma alternativa el dispositivo o parte de el, se produce el desvío del flujo mediante un rotor.
Esto tiene muchas ventajas: Simplifica el diseño mecánico Evita cargas cíclicas sobre la estructura (fatiga) Mejora aún más la eficiencia aerodinámica (flujo
estacionario en un sistema rotante)
¿Como se desvía el flujo?
Primero veamos que ocurre cuando el rotor está quieto. Los álabes del rotor desvían la corriente principal en 3 potentes chorros de aire.
Una forma de visualizar el flujo es simulando como si fueran pelotas de tenis. Por empezar vemos como se comporta el rotor para velocidades pequeñas. (video shaker42.asf)
¿Como se desvía el flujo?
Rotor en movimientoA medida que el rotor empieza a girar
el punto de emisión de los jets realiza un movimiento circular y los chorros de aire se curvan formando hélices. (videos shaker41.asf)
El chorro de aire sigue una línea recta!!En las figuras y animaciones
presentadas las pelotas de tenis (que representan el aire soplado por la turbina) forman un chorro en forma de hélice. Esto parecería sugerir que el chorro de aire se curva pero en realidad no es así!! Cada pelota sigue una trayectoria recta. Es el cambio de posición del punto de emisión que genera el patrón helicoidal. (ver video shaker40.asf). Esto va en sintonía con la filosofía de perturbar el flujo lo menos posible con lo cual se mejora la eficiencia aerodinámica.
¿Pero cómo se produce la carga ciclíca sobre la aceituna? Al girar los chorros de
aire, la aceituna pasa alternativamente de estar en el chorro a no estar en el mismo generando la deseada carga cíclica. (ver video shaker39.asf)
¿Cómo se aplica el generador a todo el árbol?
Al avanzar el generador barre una franja de la línea de plantas. Dependiendo de la configuración esta zona puede tener una altura de 1.5m y una profundidad de 2m. (ver video shaker36.asf-shaker37.asf-
shaker38.asf)
Área barrida por un generador
¿Cómo se barre toda la copa de los árboles?
Usando 4 generadores, dos de cada lado de la fila y cubriendo la parte superior e inferior. (ver videos shaker33.asf-shaker34.asf-shaker35.asf)
Area barrida por 4 generadores
Originalidad de la propuesta
Una cosechadora que no tiene contacto físico con la planta. La cosecha se produce mediante pulsos de aire, produciendo la fatiga en el pedúnculo.
Gran eficiencia aerodinámica: Todo el diseño se basa en desviar la corriente de aire, nunca detenerla.
El diseño mecánico se basa en un rotor, no posee componentes alternativos.
La corriente de aire sigue trayectorias rectas.
Eficiencia del pulso de aire El pulso ideal debe tener una
intensidad lo más alta posible y una frecuencia lo más parecida posible a la de resonancia.
La intensidad se cuantifica como la diferencia entre el pico y el valle de presión.
El generador debe producir un pulso en la frecuencia de resonancia, pero debido a variaciones en el peso y rigidez se cubre un rango de frecuencia. El generador debe poder variar la frecuencia, manteniendo una intensidad apropiada en todo este rango.
Parámetros de control Potencia del ventilador: Influye directamente en la intensidad del
pulso. Velocidad de giro y número de aperturas del rotor: influyen
directamente en la frecuencia.
Sin embargo, aumentar indiscriminadamente la
velocidad de giro o el número de aperturas puede
tener indirectamente un efecto negativo en la
amplitud ya que los chorros de aire empiezan a interferir
entre sí.
Los chorros interfieren entre sí porque la frecuencia es muy alta.
Los chorros interfieren entre sí porque hay muchas aperturas.
Pero, ¿cuándo exactamente empiezan a interferir los chorros entre sí?Esto sólo puede determinarse mediante
Experimentación en laboratorio
Mecánica computacional
Prototipo de generador Se construyó un generador de pulso a escala real. El ventilador gira hasta 2200RPM, impulsado por un motor
hidráulico que a su vez es movido por un motor eléctrico de 40HP.
El rotor es controlado por un freno electromagnético. Se realizaron mediciones de intensidad del pulso en función
de los diferentes parámetros con un equipo de medición basado en tubos Pitot y un equipo de adquisición de datos.
Mecánica Computacional Es una disciplina que toma elementos de
la Física, Matemática, Ingeniería y la Informática para modelar procesos físicos resolviendo las ecuaciones de la Mecánica del Continuo en computadoras.
Permite obtener resultados en forma más rápida y económica, y se complementa con la experimentación en laboratorio.
Cálculo de cargas aerodinámicassobre un vehículo de
competición
Cálculo de la intensidad de turbulencia en un muelle de
barcazas (Rosario)
Cálculo del transporte de polvo en ducto de aspiración
Herramientas de Mecánica Computacional El CIMEC cuenta con 25 años de
experiencia en el desarrollo y uso de la Mecánica Computacional.
Las simulaciones numéricas realizadas en este proyecto fueron hechas con software completamente desarrollado en el CIMEC.
Estas simulaciones permitieron optimizar la eficiencia aerodinámica del generador. Estos resultados se compararon con las mediciones experimentales. (ver videos shaker28.asf-shaker29.asf).
Intensidad de pulso calculadamediante un modelo de
mecánica computacional
Instántanea de los jets saliendo por las aperturas del rotor. (isosuperficie de velocidad),
Mecánica Computacional y Cálculo Distribuido Una de las limitaciones de la
Mecánica Computacional es el requerimiento de grandes recursos computacionales.
Es normal el uso de supercomputadoras, con costos millonarios en dólares.
El software desarrollado en el CIMEC puede utilizarse sobre clusters de PC, permitiendo así tener una gran potencia de cálculo con costos mucho menores.
El CIMEC posee actualmente un cluster con 85 procesadores.
Pruebas de campo
Transporte del equipamiento
y llegada a campo
Se transportó el generador desarrollado y medido en laboratorio a campo. Esto permitió corroborar la eficacia del sistema de corte y una exactitutd con la realidad de un 95%.
Pruebas de campo
Trabajo de montaje en
campo
Se hicieron diferentes modificaciones técnicas para adecuar el generador a las condiciones naturales de la planta, como ser el alejamiento de las ramas por el impulso del aire. Eso determinó que se necesitaba un mayor alcance de los pulsos.
Pruebas de campo
Prueba sobre una planta de olivo
¿Se puede aplicar a otros cultivos?El análisis dimensional
indica que este método es más efectivo para frutos más grandes, ya que las fuerzas aerodinámicas son comparativamente mayores. También este análisis indica que para frutos grandes las frecuencias de resonancia son más bajas.
duraznos arándanos
limones
jatrofa curcas(biodiésel)
Montando el generador en una cosechadora
Se construyó un prototipo de la cosechadora con 4 generadores.
Posee un motor de 240HP que alimenta 4 bombas para el funcionamiento del circuito hidráulico que mueve los generadores, cintas transportadoras, y tracción.
Los generadores están montados sobre 2 marcos laterales. La separación entre ambos puede variarse (trocha variable) mediante tijeras ubicadas en la parte superior.
Para el diseño se ha utilizado intensivamente la Mecánica Computacional.
Modelo computacional de la máquina haciendo la maniobra de cambio de fila en la cabececera de la plantación (ver video test-cabecera.asf)
Prototipo construido