REVISTA FACULTAD NACIONAL DE AGR ONOM IA vO L. XXXVII I - No . 2·1985

REQUERIMIENTOS DE EN ERGIA EN OPER ACIONES DE LABRANZA CON IMPL EMENTOS DE DISCOS

CARLOS J_ RINCON C.· DANIEL RODRIGO PIEDRAHITA V_u

RESUMEN

Este trabajo trata de establecer lo siguiente:

• Determina r los requerimientos de fuerza de tiro y potencia en operaciones de ara · do y desterronam iento con implementos de discos.

• Establecer los rangos de hum edad del suelo y velocidad de aplicación del im ple ­mento para suelos de diferentes texturas con el fin de obtener un nuevo aprove­chamiento de la fuente de potencia .

• Con base en los datos de campo , establecer mediante modelos matemáticos las relaciones existentes entre la fuerza de tiro y,su respectiva potencia con los pará­metros de humedad del suelo y velocidad de operación del implemento .

A pesar del uso intensivo de estos equipos en operaciones de labranza, aún no se han hecho estudios a nivel nacional del comportamiento de los mismos para las diferentes condiciones de suelos en épocas de preparación .

En términos generales se e ncon tró que en la arada, para suelos de textura fina (pesa­dos) hay una tendencia más pronunciada al incremento en la fuerza de tiro a medida que aumenta la humedad del suelo , que en los suelos moderadamente pesados y en los livianos . En el caso de los rastrillos las diferencias en el comportamiento son me ­

nos pronunciadas.

* lngen iero Mecánico. M.s _ Programa de Maquina ria gricola _Instituto Colombiano Agropecuario ICA . Tibai tatá_

**Ingeniero Agrícola . Profesor Asistente Sección Mecanización Agríco la. Facultad de Agronomía de la Universidad Nacional , eccionaJ 1edell ín _

Con el objeto de obtener un a re lación matemática entre las variables se analizaron varios modelos matemáticos de los cuales el que presentó un mayo r ajust e fue :

Ln F b + b¡ Lm V o

donde:

F Fuerza de tiro por unidad de ancho (KN / m)

Velocidad de operación (m I S) V

b Y b¡ Coeficientes de regresión.o

La relac ión correspondiente para potencia requerida en las operaciones de la labranza fue:

Lm P b2 + b3 L m V .

donde:

P Potencia por unidad de ancho (KW / m) .

Para la resistencia unitaria al corte en el caso de los arados la relación correspondiente

fue :

Lm R b~ + b s Lm V

donde:

R Resist encia unitaria a l corte (KN/ m 2 ) .

INT RODUCCION

La preparaclon d e suelos en Colombia pa ra zonas mecanizad as se hace generalmente con implementos de discos. Si bien es cierto que los arados de vertedera en muchos casos pueden realizar una mejor inversión de la capa arable , en nuestro medio el uso de este tipo de implementos ha sido restringido y reemplazado por arados de discos. En la misma for ma pa ra labores de desterronamien t o se ha generalizado el uso de rastrillos de di scos en sus diferentes versiones .

A pesar del uso intensivo de estos equipos en operaciones d e labranza aún no se han ~ hecho estudios del comportamiento de los mismos para las d iferentes condiciones de suelos en épocas de preparación .

En la mayoría d e los casos los agricul tores p reparan sus terrenos teniendo en cuenta más la época del año que las condic iones de l suelo para efectos d e labranza.

Ta les épocas d e preparación son generalmente de sequ ía y anteriores a la iniciación del período de lluvia s que debe coincidir con la terminación d e la siembra. Con base en lo anterior se pla nteó el presente estudio con los sigui entes objetivos:

54

• Determinar los requerimientos de fuerza de tiro y potencia en operaciones de ara­da y desterronamiento con implementos de discos.

• Establecer los rangos de humedad del su el o y velocid ad de aplicación del imple· mento para suelos de diferentes texturas con e l fin de obtener un mejor aprove · chamiento de la fuente de potencia .

• Con base en los datos de campo , establecer mediante modelos matemáticos las relaciones existentes entre la fuerza de tiro y su respectiva potencia con los pará­metros de humedad del suelo y velocidad de operación del implemento.

REVISION DE LITERATURA

Telischi et al (1956) encontraron en condiciones de Laboratorio las siguientes relacio­nes para representar los requerim ientos de tiro en im plementos de labranza con algu­nos parámetros del suelo y del equipo en sí.

A. Y = aX b + C

donde : Y fuer za de tiro

X velocidad de operación.

a.b parámetros relacionados con el contenido de arcilla y humedad y también con la forma y clase de implemento.

B. Y = Ca + bx + C

donde: Y fuerza de tiro

x = contenido de humedad.

MATERIALES Y METODOS

El trabajo de campo se realizó sobre diferentes suelos dentro de un amplio rango de texturas que se encontraron principalmente en los Centros Experimentales de Tibai­tatá y Nataima, cuyas alturas son respectivam ente 2 .550 y 385 metros sobre el nivel del mar y sus temperaturas medias son 14 y 27 grados centígrados .

Para el efecto. se utilizó como fuente de potencia un tractor cuyas características se

anotan a continuación:

Potencia al volante: 57.8 Kw (DIN)

T ipo de llantas: 16 .9 / 14 · 30, Rl, 6 capas .

Tipo de transmisión: en 2 ruedas .

Barra de T iro: Tipo oscilante COI' fl'Jrquilla ajustable

Pa ra las mediciones de fuerza de t iro se utilizó un dinamómetro hidráulico previa­mente calibrado en el laboratorio . La velocidad de operación se dete rminó midiendo el tiempo empleado para reco rrer tramos de 50 met ros en condiciones normales de

trabajo.

La textura d e los suelos con los cuales se trabajó se determinó en el laboratorio me·

diante el método de Bouyoucos, a partir del cual se obtuvieron los grupos y clases texturales que aparecen en las dos primeras columnas de los Cuadros 1 y 2 .

CUADRO 1

Requerimiento, de tiro (kN / m) y de potencia (kW/m) en la barra de tiro por unidad de ancho de un arado de dilCos 'r.bajando 8 trel diferentes velocidltdes . Profundidad de I.brann 0,22 metros.

I "

,:¡ J

GRUPO TEXTURAL

CLASE TEXTURAL HUMEDAD VELOCIDAD

0 /0 b . s. OPERACION mI"

F. TIRO POR m . ANCHO kN/m.

POT. bt / m . ANCHO kw /m.

R. UNITARIA kN /m '

Textura Arc illow - fino

fina Ar ci lloso - limoso

ISuelo Arcilloso - ar enoso

pe sado) fn¡nco - arcillo - limoso

0,89

29 1,17

1,45

6.9 · 8,3

7,9 · 9 ,3

8,8 9 ,8

6.1 · 7,4

9.2· 10,9

12,8· 14 ,2

31,4·44.5

0,89

35 1,17

1.45

8 ,8·10,8

10,3 11,8

11.3 · 12 ,8

7,8· 9.6

12 .1 . 13,8

16.4· 18,6

40 ,0· 58,2

0,89 10,8 · 12,3 9,6 · 10.9

44 1,17 11 ,8 · 12,8 13,8· 15.0 49,1 . 64 ,5

1,45 12,8 · 14,2 18.6·20,6

0 .89 6,4 7.9 5.7 . 7.0

Texturas 23 1,17 7,4 . 9 ,3 8.7 . 10 ,9 29 , 1 · 46,8

Medl. y/o

Moderada -

mente fin a franco

ISuelo mo· Franco · arcillo · limoso

deradamente

pesado)

1,45 8,8· 10,3 12,8 · 14,9

0.89

30 1,17

1.4 5

7,4 8,8

8.3 9.8

9.3 10,8

6.6 7.8

9,7 . 11,5

13.5 15,7

33.6·4'.1,1

0.89 7,5· 8,8 6,7 7,8

35 1.17 8,5 · 9.8 9.9 · 11 ,5 34.1 ·48,6

Textura

Media Franco

(Suelo F ranco · arenoso

Liviano)

1.45 9.2· 10,7 13,3· 15,5

0,89

9 1,17

1.45

8,8·10,8

9.8· 11,8

10,8 12.3

7,8 9.6

11 .5 ·13,8

15,7 · 17.8

40 ,0· 55,9

0,89

14 1,17

1.45

9.8 · 11 ,8

11,3 . 13.2

12 .8 14 .2

8,7 · i O,!.:.

13,2 . 1 0.~

18,6 20.6

44 ,5· 64,5

0.89 10.0·12, 1 8.9· 10,8

20 1.17 11 ,7 · 13,5 13.7· 15,8 45,5 65,9

, .45 ..

13,3 · 14.5 19,3 · 21.0

CUADRO 2

RequeFlmll~ntos de tir o (kN / m ) y de po tencia ( kw / m) en la barra de tiro por unid ad de ancho de un ra strillo ca lifo rniano (excéntrico) trabajando a tres dif erentes velocid ades. Profundidad de lab ranza 0 , 13 metros.

GRUPO TE XTURAL

CLA S E TE X T U RAL HUMEDAD VELOC ID A D

0/0 b. s. OPERACION m I<

F . TIRO m . ANCH O kN l m

POT o b t . l m . ANCHO kw/m

T e~ xT u ra

FIna

(Suelo

Pesad o l

A, cl!loso fin o

A lcill o hmoso

ArcIllo · arenoso

Franco · arcillo · limoso

28

0.97

1,25

1 53

2,4 ·3,1

2,9 , 3,9

3,4 ' 4,4

2, 3 3,0

3,6 4,9

5,2 ' 6,7

33

0 ,97

1,25

1,53

3, 1 , 3,9

3,8 4, 8

4, 4 ' 5,4

3,0·3,8

4.7 ' 6,0

6.7 ' 8,3

0 ,97 3,9 , 4,9 3,8 , 4,8

44 1, 25 4,5 5,4 5,6 6,8

Texturas.

Med ia y/o

Mode radam ente

fina

(Su. IO<

moderadame n!E:>

Franco

Franco arcillo · limoso

1,53 4,9· 5,9 7,5 ,9,0

23

0,9 7

1,2 5

1,53

2,4, 2,8

2,6 3 ,1

2,9 · 3,4

2,3, 2,7

3,2, 3,9

4,4, 5,2

30

0 ,97

1, 25

1,53

2,4 2,8

2,6 , 3 , 1

2,9, 3,4

2,3 · 2.7

3,2 3,9

4,4 ,5,2

pes.ad o sl 0 ,9 7 2,7 3,4 2,6, 3,3

35 1,25 3,3 · 3,8 4,1 ,4 ,7

Textura

1, 53 3,5 , 4,3 5,3 , 6,6

9

0,97

1,25

1,53

4.4 ,4,9

4.7 ·5,6

5,2 , 6,4

4,3 , 4,8

5,9 , 7,0

8,0 , 9 ,8

Med Ia F ranco 0 ,97 4.6 5,6 4,5, 5,4

(Suel o Franco · arenoso 14 1,25 5.4 ' 6,3 6,7 , 7,9

Liviano) 1,53 6, 1 · 6,9 9,3,10,5

20

0,97

1,25

1,53

4,7 ,6,0

5,9· 6,6

6,6 · 7,2

4,6 , 5,8

7,4 ·8,2

10,1·11 ,0

De otra parte la humedad (% b .s.) fue detel'minada mediante el método de la estufa y para cada clase textura l se obtuvieron tres ni ve les diferentes de humedad , lo s c uales se muestran en los mismos cuadros.

Para los ensayo s d e roturación del suelo (arad a) se util izó un arado Olive r de tiro con 3 discos, cuyo diámetro al iniciar las pruebas era de 0 .66 metros (26") .

~

~ ,

.;

~

El ángulo de los discos con respecto a la dir ecc ión de trabajo fue de 43° y el ángulo vertical de los mismos fue de 20° en todos los casos.

La profundidad de la labor se trató de mantener en 0 .22 metros durante las pruebas. Sobre los mismos lotes previamente arados como se explicó anteriormente se utilizó para operaciones de desterronamiento un rastrillo RCT 22 · 24" con un ángulo de tra · ba entre los cuerpos de 180. La profundidad de la labor fue de 0 .1 3 metros .

En todos los casos las pruebas se replicaron tres veces.

RESULTADOS Y DISCUSION

Tanto la fuerza de tiro como la potencia en la barra de tiro se calcularon con referen· cia a un met ro de ancho de corte, tomando como base los resultados de campo y ha· ciendo las conversiones respectivas.

Los va lores que aparecen en los Cuadros 1 y 2 son los extremos inferior y superior de cada prueba y están indicando el rango dentro del cual están los resultados obtenidos.

En la misma forma como la resistencia unitaria al corte en el caso de los arados de· pende directamente de la fue rza de tiro, los valores indicados en los mismos cuadros muestran el rango esperado para esta variable.

La Figura 1 muestra para suelos de textura fina , la relación existente entre la fuerza de tiro dentro de los rangos obtenidos en las pruebas y la humedad del suelo, con tres velocidades de operación diferentes, para cada una de las cuales se indica en la parte derecha de la gráfica su correspondiente potencia reque rida por unidad de ancho (metro)

De la misma mane ra los suelos moderadamente pesados y livianos presentan las ante­

riores relaciones como se muestra en las Figuras 2 y 3.

En términos generales se encontró que para suelos de textura fina (pesados) hay una tendencia más p ron unciada al incremento en la fuerza de tiro a medida que aumenta la humedad del suelo , que en los suelos moderadamente pesados y en los livianos.

En el caso de los rastrillos las diferencias en el comportamiento son menos pronun ­

ciadas .

Con el objeto de obtener una relación matemát ica entre las variables,se analiza ro n va· rios modelos matemát ico s de los cuales el que presentó un mejor ajuste fue el que

tiene la forma :

58

Ln F = b + b¡ LnVo

donde: F fuerza de tiro por unidad de ancho (KN / m)

V velocidad de operación (mI s)

b y b) = coeficientes de regresión.o

La correspondiente relación para potencia requerida en las operaciones de labranza es :

donde : P potencia por unidad de ancho (KW/ml.

Para la resistencia unitaria al corte en el caso de los arados la correspondiente re lació n fue :

Ln R + bs LnV

donde: R resistencia unitaria al corte (KN/m 2 ) .

~ IJ:'''~ ... " -c=

O V' '' ' m/ . " IJ: 08<) mi .

"

'" ' 0 "

Fuerco de 'IFO

por melro de on on

I '"

'0

[re,,,o.o Imo V:1 4!l 11'117 V'0.89Arcillo-limosoTuluTOS flnQ~ _l.~/. m"ArcIIIO-Oren o& o

Franco-ore . llo-lImoso

'0 40 '0 Humedo<! del su elo (°/0 b s )

FIGURA I . ReQuenmltnl OS de tHO (KN/m) y de potenCIO O(l,lI / m ) en lo borro da tH O por unidad de

ancho de un orad o de d.,"co, traboJo ndo ,"obre un suel o pe~odo(le.lu'o f.nol.

Plofund,dad de lob,o n lO . Q22 m .

20

09

Wll'O OlUOJQOt " P ¡)OPIPUnJO}d

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Fuerzo de 11m

por mfl l r o íJ e

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fue r zo de IlfO 1 oOr mel ro ele ancho

(K W", )

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~ V ' I~l "''' O v,125 "' h

~ V'0 <J 7 m ¡ ,

¡A r CII' tl 'Ji O fi no

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Humedod de l SuelO (% b .,)

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1,

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l· "

) v il' v ,O '37

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FIGURA 4. Requerim i e n to de t i ro(KN / m ) y de pOl enC lo t ~w/m )e (l lo I)orro de 1"0 orunldod de af'lc hn

de u n ( os tu lto Ca lifo r niano (eJ. cen 'r ,co) t rob aJando sobre un sue lo puod o ( tet! utO fino )

Profundldod ele l abronzo . O 13 m

V-.. 0 9 7 "'h

POlen a I!'n la ba" a de I lfO por mellO de a.ncho

(Kwfm)

1 Te.ruros medio y/o [Fronco mooerodamenl'e fIna Fronco · ar cdlo so - limoso v I !l l

~A

V: ll~

mI. v~o 97

",\

~' -­,o------------------­,­, ----------~--~-­,­o------------------,-,------------------­Humedod del s uelo (°/0 b 'Ji)

F IG uRA 5 R eauerlmlen to de l ira O<.N / m ) y de Pa lenCia ( Kw / ml en lO bo rro de li ra por Unidad de anc ho de un

rost rillo Catdornlonate.r.cen l tlcol lrobo Jondo 'iobfe un ~uelo moeler odomenle pesodO, ( te.,uro medIO y /o

mode.rodo m ente l ino .). Profundidad de labr anza ; 0.13 m

POlenClo II n lO borro de 1110

por melro dt anc ho \ Kw/ m)

~ v )) m ¡ Il Q

O v . Il) m¡ IlQ

~ v: 097m¡ 1'Q

-==-= <'" =r=:""""==- -=== .....-:

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í• j , fuerzo de lira

por me Ira de ancho

I KN/m)

Tft~lu' o m_dio [ Fr anco Vl15l V ~ jl ~ "" ' 0 97

--/, ff\/' Ffonc:o · clflllnO!iC

~ O 1~ 10 Humed od es e '10.1810 (% b ¡.l

F IGUR A 6 Re Qú C,Hl'I l \lnto , de h ro ( KN / m ) y d. potenc I o (K w/ m ) I n lO borro d e lIto por unida d dt ancho

d. un rO,.11I1Io Collfo,n lono ( excént rlco l Iro bo¡n ndo ,obre .., n 5u elo 1I... ,ono (red uro med io)

Pro'u ndl t:!l)d d. IOOf (lnZQ Q I ~ m

CONCLUSIONES

En condicio ne s de campo es muy difícil genera lizar la apli cación de un modelo mate­mático en cuanto al comportam ien to de los implementos de labranza y sus requeri ­mientos de energ ía e n razó n a que los suelos presentan condiciones muy discímiles en trayectos muy cortos _ Po r consiguiente, en muchos casos es necesario particularizar la aplicación de un modelo determinado d e acuerdo con I J :~ ,::ondiciones del terreno.

Cuando las cond icione s de campo no permitan la obtenc ión de datos consistentes pa­.; ra la aplicación de un mode lo determinado es conveniente simu lar las condiciones en e l Labor atorio y hacer las pruebas correspondi entes .

j

REFERENCIAS BIBLlOGRAFICAS

1. BARNES , K.K .; BOCKHOP , W.e. ; and McLEON _ E.ll. Similitude in studies of lillage implement forces. Agricultural Engineering Journ aJ. Vo l. 14 : 32- 37, 42.1 960.

-, GILL, W.R . and VA:-.JD E:-.J BERG . Soil dynamics in tillage and traction . VSDA Handb ook . No . 31 6.1967.

62

3. HARRISON , P. H. Soil reacting forees rul' disks from field measurements Transactions of the ASAE . 20 (5) 836 -838.1977.

4. KEPN ER. R.A., BAINER, R. and BARGER L.E. PrincipIes of farm machinery. 2nd Edition. AVI publishing CO.lnc . 197L .

5 . TELlSCHI, B.; McCOLLY F. H. and ERICKSON E. Draft measurement for tilJage tools . Agricultural Engineering. 37 (9): 605-617. 1956

6. VOORHEES, LM .; WALKER , N.P . Tractionability as a function of soiJ moisture. Transactions of the ASA E . 20 (5): 806 -809 . 1977.