UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACUL TAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
SEDE MEDELLIN
PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR DE CAFE POR VIBRACION DEL FOLLAJE - COVAUTO
Fernando Alvarez Mejia Profesor Asociado
Trabajo realizado como requisito parcial para
promoci6n a profesor titular
Medellin Enero del 2000
fmiddot ffO n ) Ie) Cf
iHJUltCA poundFE) GOMll1
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Nacional de Colombia a quien todo Ie debo
A la Federacion Nacional de Cafeteros de Colombia y en especial al doctor Gabriel
Cadena Gomez director del Centro Nacional de Investigaciones del cafe Pedro
Uribe Mejfa CENICAFE por haberme dado nuevamente la oportunidad como
profesor en ano sabatico de desarrollar este estudio
AI doctor Carlos E Oliveros Tascon Coordinador del programa poscosecha de
Cenicafe y Ifder del macroproyecto Disminucion de costos de la cosecha del cafe
mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida por su excelente
orientacion y apoyo decidido para la realizacion de este trabajo
Allnstituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnologfa Francisco
Jose de Caldas por su apoyo economico
AI Ingeniero Carloman Arcila Z por sus valiosos aportes en el diseno y
construccion del prototipo
A los Ingenieros Gonzalo Roa M Ivan D Aristizabal Pablo I Campillo 0 Jairo R
Alvarez H Jose Alvarez G y Juan R Sanz U y Estadfstico Esther Cecilia
Montoya R por su valiosa y oportuna colaboracion
AI doctor Cesar Ramirez G jefe del taller de Ingenierfa Agrfcola de Cenicafe por
toda su colaboracion
covauto 2
A la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y en especial al profesor
Jorge H Estrada E por la orientaci6n en el diseno y selecci6n de la
instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
A todo el personal del taller de Ingenierfa Agricola a los j6venes investigadores y
estudiantes de pregrado de la disciplina de Ingenierfa Agricola por su entusiasmo
y valiosa colaboraci6n
A todo el personal de CENICAFE en especial a la disciplina de Ingenierfa Agrfcola
y sus colaboradores
covauto 3
LlSTA DE TABLAS
TABLA 1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE TRES MODELOS DE COSECHADORAS AUTOPROPULSADAS DE
CAFE 18
TABLA 2 CARACTERisTICAS TECNICAS DEL PROTOTIPO EXPERIMENTAL
TABLA 3 RANGO DE VELOCIDAD Y TIRO PROMEDIO DEL COVAUTO EN POSICION DE TRABAJO
41
SIN CARGA 48
covauto 4
LlSTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ARQUITECTURA DE UN ARBOL DE VARIEDAD COLOMBIA 21
FIGURA 15 DETALLES DE LOS AGIT ADORES DE DIENTES Y DEL SISTEMA DE CAPTURA DE FRUTOS
FIGURA 16 COVAUTO EN POSICION DE TRANS PORTE (A) Y CONJUNTO TRACTOR COVAUTO EN
FIGURA 2 REGIONES FISIOLOGICAS DE UNA PLANTA DE CAFE DE TRES ANOS DE EDAD 22
FIGURA 3 VISTA DE LADO DEL COSECHADOR TIPO TORSIONAL 25
FIGURA 4 VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA COSECHADOR TIPO TORSIONAL 26
FIGURA 5 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA CABEZA VIBRATORIA DEL COSECHADOR TIPO TORSiONAL 26
FIGURA 6 MODELO TRANSLACIONAL DE LA CABEZA DEL COSECHADOR 27
FIGURA 7 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL ARMAZON (M1) 28
FIGURA 8 DIAGRAMA DE CUERPO LlBRE DE LA MASA EQUIVALENTE DE LOS DIENTES (M2) 28
FIGURA 9 MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 29
FIGURA 10 ESQUEMA DE LA MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 30
FIGURA 11 FUERZAS ACTUANDO SOBRE LA MASA EXCENTRICA 30
FIGURA 12 PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR VIBRADOR DE FOLLAJE (COVAUTO) 34
FIGURA 13 CIRCUITO HIDRAuLiCO DISENADO PARA EL COVAUTO 36
FIGURA 14 PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAuLiCO 37
DESPRENDIDOS 39
POSICION DE TRABAJO 40
covauto 5
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Nacional de Colombia a quien todo Ie debo
A la Federacion Nacional de Cafeteros de Colombia y en especial al doctor Gabriel
Cadena Gomez director del Centro Nacional de Investigaciones del cafe Pedro
Uribe Mejfa CENICAFE por haberme dado nuevamente la oportunidad como
profesor en ano sabatico de desarrollar este estudio
AI doctor Carlos E Oliveros Tascon Coordinador del programa poscosecha de
Cenicafe y Ifder del macroproyecto Disminucion de costos de la cosecha del cafe
mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida por su excelente
orientacion y apoyo decidido para la realizacion de este trabajo
Allnstituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnologfa Francisco
Jose de Caldas por su apoyo economico
AI Ingeniero Carloman Arcila Z por sus valiosos aportes en el diseno y
construccion del prototipo
A los Ingenieros Gonzalo Roa M Ivan D Aristizabal Pablo I Campillo 0 Jairo R
Alvarez H Jose Alvarez G y Juan R Sanz U y Estadfstico Esther Cecilia
Montoya R por su valiosa y oportuna colaboracion
AI doctor Cesar Ramirez G jefe del taller de Ingenierfa Agrfcola de Cenicafe por
toda su colaboracion
covauto 2
A la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y en especial al profesor
Jorge H Estrada E por la orientaci6n en el diseno y selecci6n de la
instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
A todo el personal del taller de Ingenierfa Agricola a los j6venes investigadores y
estudiantes de pregrado de la disciplina de Ingenierfa Agricola por su entusiasmo
y valiosa colaboraci6n
A todo el personal de CENICAFE en especial a la disciplina de Ingenierfa Agrfcola
y sus colaboradores
covauto 3
LlSTA DE TABLAS
TABLA 1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE TRES MODELOS DE COSECHADORAS AUTOPROPULSADAS DE
CAFE 18
TABLA 2 CARACTERisTICAS TECNICAS DEL PROTOTIPO EXPERIMENTAL
TABLA 3 RANGO DE VELOCIDAD Y TIRO PROMEDIO DEL COVAUTO EN POSICION DE TRABAJO
41
SIN CARGA 48
covauto 4
LlSTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ARQUITECTURA DE UN ARBOL DE VARIEDAD COLOMBIA 21
FIGURA 15 DETALLES DE LOS AGIT ADORES DE DIENTES Y DEL SISTEMA DE CAPTURA DE FRUTOS
FIGURA 16 COVAUTO EN POSICION DE TRANS PORTE (A) Y CONJUNTO TRACTOR COVAUTO EN
FIGURA 2 REGIONES FISIOLOGICAS DE UNA PLANTA DE CAFE DE TRES ANOS DE EDAD 22
FIGURA 3 VISTA DE LADO DEL COSECHADOR TIPO TORSIONAL 25
FIGURA 4 VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA COSECHADOR TIPO TORSIONAL 26
FIGURA 5 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA CABEZA VIBRATORIA DEL COSECHADOR TIPO TORSiONAL 26
FIGURA 6 MODELO TRANSLACIONAL DE LA CABEZA DEL COSECHADOR 27
FIGURA 7 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL ARMAZON (M1) 28
FIGURA 8 DIAGRAMA DE CUERPO LlBRE DE LA MASA EQUIVALENTE DE LOS DIENTES (M2) 28
FIGURA 9 MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 29
FIGURA 10 ESQUEMA DE LA MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 30
FIGURA 11 FUERZAS ACTUANDO SOBRE LA MASA EXCENTRICA 30
FIGURA 12 PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR VIBRADOR DE FOLLAJE (COVAUTO) 34
FIGURA 13 CIRCUITO HIDRAuLiCO DISENADO PARA EL COVAUTO 36
FIGURA 14 PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAuLiCO 37
DESPRENDIDOS 39
POSICION DE TRABAJO 40
covauto 5
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
A la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y en especial al profesor
Jorge H Estrada E por la orientaci6n en el diseno y selecci6n de la
instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
A todo el personal del taller de Ingenierfa Agricola a los j6venes investigadores y
estudiantes de pregrado de la disciplina de Ingenierfa Agricola por su entusiasmo
y valiosa colaboraci6n
A todo el personal de CENICAFE en especial a la disciplina de Ingenierfa Agrfcola
y sus colaboradores
covauto 3
LlSTA DE TABLAS
TABLA 1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE TRES MODELOS DE COSECHADORAS AUTOPROPULSADAS DE
CAFE 18
TABLA 2 CARACTERisTICAS TECNICAS DEL PROTOTIPO EXPERIMENTAL
TABLA 3 RANGO DE VELOCIDAD Y TIRO PROMEDIO DEL COVAUTO EN POSICION DE TRABAJO
41
SIN CARGA 48
covauto 4
LlSTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ARQUITECTURA DE UN ARBOL DE VARIEDAD COLOMBIA 21
FIGURA 15 DETALLES DE LOS AGIT ADORES DE DIENTES Y DEL SISTEMA DE CAPTURA DE FRUTOS
FIGURA 16 COVAUTO EN POSICION DE TRANS PORTE (A) Y CONJUNTO TRACTOR COVAUTO EN
FIGURA 2 REGIONES FISIOLOGICAS DE UNA PLANTA DE CAFE DE TRES ANOS DE EDAD 22
FIGURA 3 VISTA DE LADO DEL COSECHADOR TIPO TORSIONAL 25
FIGURA 4 VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA COSECHADOR TIPO TORSIONAL 26
FIGURA 5 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA CABEZA VIBRATORIA DEL COSECHADOR TIPO TORSiONAL 26
FIGURA 6 MODELO TRANSLACIONAL DE LA CABEZA DEL COSECHADOR 27
FIGURA 7 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL ARMAZON (M1) 28
FIGURA 8 DIAGRAMA DE CUERPO LlBRE DE LA MASA EQUIVALENTE DE LOS DIENTES (M2) 28
FIGURA 9 MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 29
FIGURA 10 ESQUEMA DE LA MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 30
FIGURA 11 FUERZAS ACTUANDO SOBRE LA MASA EXCENTRICA 30
FIGURA 12 PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR VIBRADOR DE FOLLAJE (COVAUTO) 34
FIGURA 13 CIRCUITO HIDRAuLiCO DISENADO PARA EL COVAUTO 36
FIGURA 14 PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAuLiCO 37
DESPRENDIDOS 39
POSICION DE TRABAJO 40
covauto 5
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
LlSTA DE TABLAS
TABLA 1 CARACTERISTICAS TECNICAS DE TRES MODELOS DE COSECHADORAS AUTOPROPULSADAS DE
CAFE 18
TABLA 2 CARACTERisTICAS TECNICAS DEL PROTOTIPO EXPERIMENTAL
TABLA 3 RANGO DE VELOCIDAD Y TIRO PROMEDIO DEL COVAUTO EN POSICION DE TRABAJO
41
SIN CARGA 48
covauto 4
LlSTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ARQUITECTURA DE UN ARBOL DE VARIEDAD COLOMBIA 21
FIGURA 15 DETALLES DE LOS AGIT ADORES DE DIENTES Y DEL SISTEMA DE CAPTURA DE FRUTOS
FIGURA 16 COVAUTO EN POSICION DE TRANS PORTE (A) Y CONJUNTO TRACTOR COVAUTO EN
FIGURA 2 REGIONES FISIOLOGICAS DE UNA PLANTA DE CAFE DE TRES ANOS DE EDAD 22
FIGURA 3 VISTA DE LADO DEL COSECHADOR TIPO TORSIONAL 25
FIGURA 4 VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA COSECHADOR TIPO TORSIONAL 26
FIGURA 5 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA CABEZA VIBRATORIA DEL COSECHADOR TIPO TORSiONAL 26
FIGURA 6 MODELO TRANSLACIONAL DE LA CABEZA DEL COSECHADOR 27
FIGURA 7 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL ARMAZON (M1) 28
FIGURA 8 DIAGRAMA DE CUERPO LlBRE DE LA MASA EQUIVALENTE DE LOS DIENTES (M2) 28
FIGURA 9 MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 29
FIGURA 10 ESQUEMA DE LA MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 30
FIGURA 11 FUERZAS ACTUANDO SOBRE LA MASA EXCENTRICA 30
FIGURA 12 PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR VIBRADOR DE FOLLAJE (COVAUTO) 34
FIGURA 13 CIRCUITO HIDRAuLiCO DISENADO PARA EL COVAUTO 36
FIGURA 14 PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAuLiCO 37
DESPRENDIDOS 39
POSICION DE TRABAJO 40
covauto 5
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
LlSTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ARQUITECTURA DE UN ARBOL DE VARIEDAD COLOMBIA 21
FIGURA 15 DETALLES DE LOS AGIT ADORES DE DIENTES Y DEL SISTEMA DE CAPTURA DE FRUTOS
FIGURA 16 COVAUTO EN POSICION DE TRANS PORTE (A) Y CONJUNTO TRACTOR COVAUTO EN
FIGURA 2 REGIONES FISIOLOGICAS DE UNA PLANTA DE CAFE DE TRES ANOS DE EDAD 22
FIGURA 3 VISTA DE LADO DEL COSECHADOR TIPO TORSIONAL 25
FIGURA 4 VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA COSECHADOR TIPO TORSIONAL 26
FIGURA 5 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA CABEZA VIBRATORIA DEL COSECHADOR TIPO TORSiONAL 26
FIGURA 6 MODELO TRANSLACIONAL DE LA CABEZA DEL COSECHADOR 27
FIGURA 7 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL ARMAZON (M1) 28
FIGURA 8 DIAGRAMA DE CUERPO LlBRE DE LA MASA EQUIVALENTE DE LOS DIENTES (M2) 28
FIGURA 9 MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 29
FIGURA 10 ESQUEMA DE LA MASA EXCENTRICA GIRANDO ALREDEDOR DEL ARMAZON 30
FIGURA 11 FUERZAS ACTUANDO SOBRE LA MASA EXCENTRICA 30
FIGURA 12 PROTOTIPO EXPERIMENTAL COSECHADOR VIBRADOR DE FOLLAJE (COVAUTO) 34
FIGURA 13 CIRCUITO HIDRAuLiCO DISENADO PARA EL COVAUTO 36
FIGURA 14 PRINCIPALES COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAuLiCO 37
DESPRENDIDOS 39
POSICION DE TRABAJO 40
covauto 5
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
CONTENIDO
RESUMEN8
INTRODUCCION10
1 REVISION DE LITERATURA 13
11 VIBRADORES MECANICOS 13
111 Vibradores de ramas 13
112 Vibradores de troncos 15
113 Vibradores de foliaje 17
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA 20
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE23
2 MATERIALES Y METODOS 32
21 LOCALIZACION 32
22 MATERIALES Y EQUIPOS 32
23 METODOLOGiA 32
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental 33
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO 33
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO33
3 RESULTADOS Y DISCUSION 34
31 ET APA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTAL34
311 Sistema estructural 34
312 Sistema de potencia34
313 Sistema de combustible 35
314 Sistema hidraulico 35
315 Sistema de vibraci6n 38
covauto 6
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
316 Sistema de captura de granos 39
317 Sistema de enganche 40
318 Tractor agricola 40
319 Resumen de las caracterfsticas tecnicas 41
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO 43
321 Sensores43
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos 45
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO 47
4 CONCLUSIONES 49
5 BIBLIOGRAFIA51
ANEXOS 55
covauto 7
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
RESUMEN
En la literatura disponible no se reportan metodos anallticos confiables que tengan
en cuenta la dinamica de la relaci6n entre los dientes vibradores de un cosechador
de cafe y el follaje 10 que hace diffcil que las especificaciones de diseno de los
mecanismos inerciales puedan ser predeterminadas Ademas no se dispone de
bases conceptuales a partir de las cuales se pueda disenar dispositivos para
impactar las ramas con el fin de desprender selectivamente los frutos maduros
Con el fin de generar conocimientos sobre la aplicaci6n de agitadores de dientes
al follaje conducentes a la cosecha selectiva del cafe fue disenado y construido en
Cenicafe un prototipo experimental de enganche excentrico en un punto para ser
remolcado por un tractor de 21 HP de potencia y cuyo diseno ha sido concebido
para ser transformado con autonomia propia cuando las evaluaciones de campo
asf 10 determinen posibilitando su trabajo como un Cosechador vibrador
autopropulsado (COVAUTO) que permite aplicar vibraciones al follaje en
condiciones de campo EI equipo posee instrumentaci6n telemetrica para el
manejo de los datos que generen los sensores y transductores ubicados en el
conjunto tractor-COVAUTO
Los resultados preliminares muestran que de las especificaciones tecnicas
evaluadas y medidas del COVAUTO comparadas con los tres modelos
comerciales para la recolecci6n del cafe disponibles en el mundo con el mismo
principio de vibraci6n (JACTO AUSTOFT Y KORVAN) su peso su ancho y altura
de trabajo su costo y su adecuada ingenierfa 10 posibilitan tecnica y
econ6micamente para trabajar en importantes areas cafeteras colombianas
EI equipo consta de un sistema estructural rectangular tipo cercha (2m de ancho
2m de alto y 3m de largo) soportada en cuatro lIantas un motor diesel de 40 HP
de potencia un sistema de vibraci6n compuesto por el conjunto de vibradores
covauto 8
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
(masas excentricas de peso variable entre 2 y 10 kg) los agitadores y los dedos 0
dientes vibradores accionados por el sistema hidraulico disenado para el
COVAUTO un sistema de captura de granos compuesto por paletas en PVC y
bandejas almacenadoras situados en la parte inferior del vehfculo y el sistema de
enganche disenado para las posiciones de trans porte y operaci6n en el campo
La evaluaci6n en condiciones de vacfo para el conjunto tractor-COVAUTO en
cuanto al rango te6rico de operaci6n del sistema establece un rango de
frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm un rango de velocidad de
operaci6n entre 05 y 5 kmh amplitud de oscilaci6n de los dientes para las
diferentes masas definidas en el diseno entre 2 y 12 cm potencia requerida en el
rango de operaci6n del sistema vibrador hasta 4HPvibrador y la potencia
requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad obtenido
con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
covauto 9
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
INTRODUCCION
En el ana de 1989 la Disciplina de Ingenierfa Agricola de CENICAFE incluyo
dentro de sus Ifneas de investigacion el proyecto ING-0101 Cosecha mecanica de
cafe en ladera Se desarrollo un primer experimento con el objetivo de determinar
la fuerza de traccion necesaria para desprender las cerezas (F) en diferentes
estados de maduracion para las variedades Colombia y caturra encontrandose
que la relacion (FIW) entre esta fuerza y el peso del fruto fYV) se incrementaba
de maduros a inmaduros indicando que alglin grado de selectividad es posible de
alcanzar en la cosecha mecanica del cafe utilizando la vibracion 1 As mismo se
encontro que la fuerza de traccion requerida para desprender el fruto maduro de la
variedad Colombia (630N) es mayor que para la variedad Caturra (540N) y se
verifico 10 reportado por varios auto res que el cafe es uno de los frutos mas
diffciles de desprender por medios mecanicos al ser la fuerza de desprendimiento
relativamente alta y su peso bajo comparado con frutos similares
A partir de 1996 y por mandato del Congreso Nacional Cafetero la Disciplina de
Ingeniera Agricola inicio un programa ambicioso de busqueda de alternativas
tecnologicas para disminuir los costos unitarios de recoleccion de cafe ( $kg de
cereza) En el gran macroproyecto Disminucion de los costos de la recoleccion
del cafe mediante la mecanizacion y la cosecha manual asistida se desarrollan
estudios en cosecha manual manual asistida y mecanica explorandose para el
desprendimiento mecanico del cafe los principios de impacto vibracion mecanica
succion neumatica y la vision artificial para la cosecha robotizada Ademas de los
experimentos relacionados con vibraciones mecanicas a las ramas y al tallo estan
en ejecucion dos proyectos que utilizan las vibraciones al follaje uno utilizando la
vibracion lateral sobre varios puntos del tallo mediante barras 0 rieles ubicados a
1 Alvarez F Informe ano sabatico 1990 Cenicafe Chinchina
covauto 10
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
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covauto 55
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covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ambos lados del arbol y el presente trabajo desarrollo de un prototipo
experimental cosechador de cafe por vibraci6n del follaje denominado COVAUTO
En este se aplicara la energfa directamente a las zonas productivas del arbol
mediante cepillos 0 agitadores de dientes el cual es el principio mas utilizado
en el mundo para la cosecha mecanizada del cafe pero caracterizado por el alto
desprendimiento de frutos con baja selectividad
Las maquinas mas utilizadas y fabricadas para la cosecha del cafe en Brasil
(JACTO) Estados Unidos (KORVAN) Y Australia (AUSTOFT) de altos
rendimientos (disenadas para cosechar en un solo pase) son maquinas
autopropulsadas que recolectan en forma continua sobre la fila 0 surco de arboles
a traves de varillas dedos dientes 0 barras oscilantes (600 - 1000 ciclos I minuto
y construidas de fibra de vidrio nylon 0 plasticos de ingenieria de alta resistencia
mecanica) que penetran dentro del follaje transmitiendo vibraciones horizontales y
verticales en muchos puntos y desprendiendo los frutos por una acci6n simple 0
combinada entre el contacto directo con los frutos y la transferencia de la vibraci6n
a 10 largo de las ramas del arbol
En estos equipos existe un sistema de captura de frutos alrededor del tronco y un
sistema transportador donde las ramas pequenas y hojas son removidas usando
ventilaci6n y las cerezas son transferidas a un recipiente perteneciente a la
maquina Estas cosechadoras de cafe son usadas en grandes plantaciones con
suelos de pendiente inferior al 15 distancia entre surcos superiores a 3 m y
velocidades de avance entre 05 y 25 kmh Los estudios reportan una baja
defoliaci6n dano moderado al tallo y las ramas y perdidas bajas de frutos al suelo
La vibraci6n de estos cosechadores de follaje con agitadores de dedos se obtiene
mediante dos masas excentricas que giran desfasadas 180deg Un sistema de
potencia hidraulico hace rotar dichas masas a una velocidad angular constante
generando una fuerza centrffuga sinusoidal sobre el agitador portadedos Aunque
covauto 11
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
estos mecanismos inerciales son de facil fabricaci6n los disenos se han
conseguido por ensayo y error
EI prototipo experimental COVAUTO esta concebido para que inicialmente opere
como laboratorio con la instrumentaci6n necesaria para medir variables que
permitan ajustar su operaci6n evaluar su desempeno y facilitar el diseno posterior
de tecnologfa basad a en este principio Si la evaluaci6n de campo indica una
factibilidad tecnica para que el COVAUTO pueda operar con algun grado de
selectividad dentro de los patrones de caUdad establecidos p~r la Federaci6n
Nacional de Cafeteros el equipo esta disenado para que quede habilitado en el
momento que se requiera con autonomfa de movilizaci6n esto es autopropulsado
10 anterior teniendo en cuenta que en nuestro pais existen mas de 100000
hectareas de cafetales tecnificados sembrados en sue los con pendientes
inferiores al 302 con las caracterlsticas propias para ser adecuadas a esta
nueva tecnologia
2 Caballero R y Baldion RJ Ecotopos cafeteros Caracterizacion agroecologica de la zona cafetera colombiana 1993
covauto 12
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
1 REVISION DE LlTERATURA
11 VIBRADORES MECANICOS
Sin considerar los batidores mecanicos como un equipo que cosecha por
vibracion en general se pueden clasificar los equipos existentes en vibradores de
ramas vibradores de tronco y vibradores de follaje Desafortunadamente para
nuestros caficultores no existe un equipo comercial que utilizando los principios
involucrados en los sistemas mencionados permitan una cosecha selectiva
111 Vibradores de ramas
Para el caso de los vibradores de ramas en cafe se han hecho varios estudios
tanto teoricos como experimentales que involucran las propiedades flsicoshy
mecanicas de los frutos y las ramas el sistema fruto-pedunculo la determinacion
de parametros de mecanismos de trabajo la dinamica misma de la rama y la
evaluacion de equipos portatiles tradicionales utilizando vibracion ( Adrian y
Fridley 1965 Wang (parte A y B) 1965 Wang y Shellenberger 1965 Monroe y
Wang 1968 Phillips 1969 Yung and Wang 1969 Shellenberger y otros 1969
Martinez y otros 1988 y 1989 Crisosto y Nagao 1991 Alvarez 1990 Ciro 1997
Giro y otros 1998 y Alvarez 1998)
Se deben considerar como referenciales y pertinentes para los propositos de este
experimento algunos de los resultados obtenidos por los anteriores
investigadores
covauto 13
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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ANEXOS
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Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
bull Los frutos maduros de la variedad Colombia roja requieren para su
desprendimiento una fuerza de tracci6n que oscila entre 60 N Y 95 N
bull Los parametros de vibraci6n mas adecuados para vibrar ramas de cafe
variedad Colombia son amplitud de 15 cm frecuencia de 1500 cpm punto
de agarre a un tercio de su longitud y un tiempo de vibraci6n de 5 s
bull Con amplitudes aplicadas directamente a las ramas de cafe variedad Colombia
entre 1 cm y 15 cm y frecuencia de vibraci6n por encima de los 2200 cpm no
se logra desprender de forma selectiva el fruto de cafe
bull Para una amplitud particular la selectividad es funci6n de la frecuencia
aplicada el tiernpo total de la vibraci6n y la relativa cantidad de cerezas
maduras e inmaduras presentes en el arbol
bull La vibraci6n transversal aplicada en dos puntos en forma simultanea
comparada con la de un s610 punto reduce los nodos de vibraci6n a 10 largo de
la longitud de la rama de cafe variedad Colombia lograndose valores de
longitud de onda mas altos 10 cual se traduce en un mayor flujo de energfa
amplitud de movimiento mas uniforme y una velocidad de propagaci6n mas
alta
bull Con porcentajes de maduraci6n en ramas de variedad Colombia superiores al
85 frecuencias de agitaci6n inferiores a 1500 cpm amplitudes de 15 cm y
aplicando simultaneamente en dos puntos la vibraci6n longitudinal y la
vibraci6n transversal se obtiene un porcentaje de verdes en la masa inferior
aI18
bull Para los parametros de vibraci6n evaluados los porcentajes de maduraci6n
en una rama de variedad Colombia inferiores a 52 afectan la selectividad del
covauto 14
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
desprendimiento de las cerezas de cafe cuando se aplican vibraciones
longitudinales y transversales
bull EI factor de amortiguamiento (~) para la rama de cafe variedad Colombia con
frutos maduros ( hojas + frutos) y una frecuencia natural transversal de 120
cpm es de 0024
bull La constante elastica (K) de la rama de cafe variedad Colombia oscila entre
340 Nm y 20 Nm a una distancia de 7 cm a 30 cm desde el punto de uni6n
con el tallo y un diametro entre 2 mm y 43 mm
bull EI valor promedio del modulo de elasticidad (E) de la rama de cafe variedad
Colombia de diametro entre 043 cm y 020 cm y una longitud de 60 cm es de
65 x 109 Nm2bull
bull La frecuencia natural de los frutos maduros es alrededor de 1500 cpm mientras
que la frecuencia natural transversal de la rama esta entre 100 cpm y 180 cpm
112 Vibradares de trancas
Los vibradores de tronco son los mas utilizados comercialmente para la
recolecci6n de aceitunas (Ortiz y Gil 1986) nueces (Pellenc et ai 1983 y
Srisvastava et ai 1997) y manzanas cftricos y frutales en general (Berlage 1974
Fridley y Yung 1975 Claude 1976)
Para Srisvastava (1993) los arboles que concentran su producci6n en zonas con
mucho follaje requieren de la transferencia de una relativa alta energla cuya
aplicacion se logra suministrando vibraciones a las ramas 0 al tallo en sitios
adecuados con caracterlsticas propias para cada cultivo
covauto 15
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Segun Ortiz-Cafiavate y Hernanz (1989) los vibradores de tronco son mas
rapidos y mas faciles de operar que los vibradores de ramas ya que estos
requieren de pocas ramas principales con facilidad de acceso para el mecanismo
sujetador del vibrador Sin embargo cuando los arboles son gra
ndes 0 cuando abundan las ramas pendulares los vibradores de tronco no son los
mas adecuados debido a que la vibracion no se transmite debidamente a los
frutos resultando en un porcentaje de desprendimiento de frutos muy bajo
Los vibradores de tronco mas utilizados comercialmente en el mundo son los
vibradores de inercia Su principio basi co consiste en la transmision al arbol de las
fuerzas generadas por una 0 varias masas en movimiento EI tipo biela-manivela
(muy utilizado en vibradores de ramas) origina fuerzas en una sola direccion En
los tipos de masas excentricas (muy utilizados en vibradores del tronco) las
fuerzas se generan al girar las masas en sentidos contrarios a altas velocidades
La magnitud y numero de direcciones de la fuerza resultante puede seleccionarse
haciendo variar las masas y sus velocidades de giro obteniendo vibraciones
multidireccionales formando lazos que provocan una mayor eficiencia en el
desprendimiento de los frutos debido a que la resultante de las fuerzas excitadoras
varia su direccion en funcion del tiernpo Para el diseno y el calculo de este tipo de
vibradores se considera que la frecuencia de vibracion las masas excentricas y
el sistema de sujecion al tallo son los parametros mas importantes a tener en
cuenta
Los principales resultados en cafe con los vibradores de tronco fueron obtenidos
por Aristizabal et al (1999) en CENICAFE quien siguiendo el procedimiento
recomendado por Martinez et al (1994) para el diseno de los vibradores
multidireccionales desarrollo un prototipo que genero vibraciones de cuatro lazos
a una frecuencia de 3000 cpm amplitud de 285 rnm punto de aplicacion al
50 de la altura tiempo de vibracion 20s y con un mecanismo de sujecion al tallo
de tornillo de doble paso con dos casquetes metalicos cilfndricos con caucho
vulcanizado en su interior Se obtuvieron los siguientes resultados
covauto 16
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
desprendimiento de frutos maduros de 478 desprendimiento de frutos verdes
247 porcentaje de frutos verdes en la masa cosechada de 8 y un rendimiento
de 1421 kg de cafe cerezalhora
Aristizabal (1998) tambien diseiio y construyo un prototipo experimental para
aplicar vibraciones circulares a arboles de la variedad Colombia conformado por
un mecanismo de cuatro barras un cilindro para sujetar el tallo y un par de masas
para balancear dinamicamente la estructura Los resultados mostraron que el valor
mas alto de desprendimiento de cerezas maduras obtenido en los ensayos fue de
63 con 88 de frutos inmaduros desprendidos y el rendimiento vario en el
range 50 a 118 kg de cafe cerezalhora dependiendo de la cantidad inicial de
cerezas maduras presentes en el arbol Observo desprendimiento de la corteza
del tallo anillamiento en el punto de acople del prototipo cuando la vibracion
circular aplicada tenia una amplitud de 3 cm
3 Vibradores de follaje
La tecnica de aplicar vibraciones al follaje para la cosecha mecanizada de varios
cultivos ha sido investigada en varios palses (Cargill y Booster 1983 Allhouse y
Morrow 1972 Sartori 1983)
Actualmente en el mundo los sistemas completamente mecanizados para la
recoleccion del cafe (no selectiva) utilizan el principio de vibracion al follaje para el
desprendimiento de los frutos los cuales son recogidos limpiados y ensacados en
una operacion continua En la Tabla 1 se presentan las caracterfsticas tecnicas de
los tres modelos mas comerciales JACTO K-3 (Brasil) AUSTOFT (Australia) y
KORVAN (USA) informacion que se ha obtenido de catalogos suministrados por
los fabricantes y de algunas publicaciones referentes a evaluaciones de los
mismos (Honda et al1979 Jacquet 1998 Watson et ai 1979 y Kashima 1985)
covauto 17
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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WONG CK Dynamics of a torsional type inertial coffee harvester Ohau University of Hawaii 1995 66p ( Thesis Magister of Science)
YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Tabla 1 Caracterlsticas tecnicas de tres modelos de cosechadoras autopropulsadas de cafe
ESPECIFICACION JACTO K-3 AUSTOF KORVAN
DIMENSIONES (m)
LARGO 58 52 59
ANCHO 31 36 35
ALTO 34 32 35
PESO (kg) 7000 4100 5000
POTENCIA DEL MOTOR (HP) 80 46 72
CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh) 6 45 5
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmlh) 15 90 15
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) 05 a 30 08 a 15 Oa5
RENDIMIENTO (hath) Hasta 12 Hasta 12 Hasta 12
ALTURA DE LA COSECHA (m) 26 35 35
ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) 30 30 32
PENDIENTE DE OPERACION () 100 100 15
PRECIO (US $) Diciembrel98 172000 180000 175000
FUENTE Catlilogos y publicaciones
De estas maquinas la JACTO fue la primera en salir al mercado Con el apoyo
financiero del Instituto Brasilero del Cafe - IBC - el Instituto Agron6mico de
Campinas en el ana de 1973 import6 una cosechadora de arandanos (con
vibradores de dientes) con el fin de probar la viabilidad tecnica para cafe Mas
adelante el Departamento de Investigaciones y Desarrollo de la Empresa JACTO
SA inici6 un programa de estudio con el diseno y construcci6n de equipos que
derriban los hutos de cafe al suelo utilizando varillas 0 agitadores de fibra de
vidrio Aparecieron varios modelos de derribadoras como la Koplex Kokinha y
Cocco En 1975 fue disenada y construlda la cosechadora autopropulsada
denominada K-1 dotada de los sensores suficientes que permitieron la
determinaci6n de la capacidad de tracci6n necesaria para el desplazamiento de la
maquina y las condiciones de funcionamiento estatico y dinamico de los
vibradores y la estructura del equipo Estos datos sirvieron de base para el diseno
covauto 18
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
de una nueva maquina cosechadora denominada K-2 que incluia transmision
hidrostatica y una estructura en portico totalmente redisenada Despues de las
modificaciones en los sistemas de recoleccion y trans porte de los frutos y en el
sistema de traccion se lIego al prototipo K-3 caracterizado por su fac1 manejo
proporcionado por la direccion hidraulica y la posibilidad de subir y bajar el
conjunto vibrador de acuerdo con la altura del cateto
La cosechadora AUSTOFT para cafe fue desarrollada en Australia en el ana de
1989 por el programa de Investigacion de Infraestructuras Primarias del
Departamento de Queensland (QDPI) La maquina mas moderna posee un
sistema de traccion de tres ruedas que facilita el proceso de maniobra en el
campo Los frutos de cafe son desprendidos tambien por cilindros compuestos de
dientes vibratorios transportados hasta el sistema de separacion donde ocurre el
retiro de las impurezas y ensacado Los sacos son dejados a 10 largo de las
calles Se ha conseguido aumentar la eficiencia de la maquina y reducir los costas
de operacion cuando la descarga de los frutos se hace directamente sabre un
remolque recogedor que se desplaza paralelo a la cosechadora debido a que no
ocurren paradas para la descarga y no es necesaria mana de obra para ensacar y
recoger los sacos a 10 largo de la calle (Winston y Norris 1993)
La cosechadora KORVAN originaria de los Estados Unidos fue desarrollada para
la cosecha de cafe en el Hawai Posee controles electricos e hidraulicos que
facilitan el trabajo Se nivela automaticamente 10 que permite una alineacion
constante durante toda la operacion ademas posee tres ruedas de traccion que
la habilita para realizar curvas cerradas y maniobrar facilmente en surcos cortos 0
en lugares donde el declive del terreno diticulta su operabilidad Su sistema de
vibracion es tambien por cilindros con dedos vibratorios ajustables que permiten
una buena cosecha (no selectiva) y minimo dana al arbol EI cafe derribado pasa
por el proceso de limpieza y es conducido directamente hasta el remolque
agricola proporcionando una alta eficiencia en el rendirniento operacional del
sistema de cosecha
covauto 19
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
La literatura consultada no reporta los anal isis estaticos y dinamicos de los
sistemas de vibraci6n ni de los sistemas componentes de ninguna de las
cosechadoras mencionadas Ademas de las especificaciones tecnicas
presentadas en la Tabla 1 se reportan los resultados de algunas pruebas de
campo Para el caso del Brasil las cosechadoras JACTO lograron disminuir en un
50 los costos de la cosecha y reemplazar hasta 80 hombres en las mejores
condiciones de trabajo en el campo (Sartori et al1983 Kashima 1985 y
Ometto1987)
12 ASPECTOS GENERALES DE NUESTRA CAFICULTURA Y DEL CAFE
VARIEDAD COLOMBIA RELATIVOS A LA COSECHA MECANICA
Las plantas de variedad Colombia son muy semejantes a las de variedad Caturra
en su tamano y conformaci6n caracterizandose por su alta producci6n y porte
bajo Se adapta bien a los climas suelos y practicas culturales que son
adecuadas para la variedad Caturra (Castillo 1984 y Salazar et ai 1988) Lo
anterior permite hacer mayor referencia a la variedad Colombia
Es claro para el equipo de investigadores en cosecha mecanizada de cafe en
CENICAFE que la topograHa de nuestra zona cafetera la distribuci6n de la
cosecha la floraci6n del cateto el crecimiento y maduraci6n del truto la
arquitectura de la planta las caracterfsticas de crecimiento de la misma la
densidad de siembra los sistemas de manejo del cultivo y las lIuvias durante los
ciclos de cosecha son los aspectos mas importantes a tener en cuenta no
solamente en el diseno de los equipos sino tambien en la evaluaci6n y validaci6n
de los mismos
Son amplias las investigaciones que CENICAFE ha desarrollado y publicado
sobre estos t6picos durante los 61 anos de existencia en este estudio se hara
menci6n muy general de algunos de ellos pues sera la exploraci6n del principio
covauto 20
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
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o gtlt w
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Imiddot
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4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
de vibraci6n al follaje la que permitira estudiar y analizar mejor la relaci6n entre los
dientes vibradores y las ramas del cafe para alcanzar la selectividad
La disposici6n de las ramas el manejo mismo yo las modificaciones a la
arquitectura de la planta las diferentes zonas de crecimiento y producci6n y las
caracterfsticas morfol6gicas juegan un papel muy importante cuando se aplican
las vibraciones al follaje La arquitectura de esta variedad es de tipo plan6fila
cuyas ramas se insertan en un angulo aproximado de 80deg a 90deg con relaci6n al
tallo La Figura 1 muestra la arquitectura de un arbol de tercera cosecha a libre
crecimiento
Figura 1 Arquitectura de un arbol de variedad Colombia
Fuente Alvarez F Informe de aiio sabatico 1990
La edad del arbol y en especial el peso de la cosecha flexionan las ramas
presentando en la misma planta modificaciones a su arquitectura Las practicas
de manejo como la poda (Ia eliminaci6n del brote terminal como ejemplo) tambien
cambian la arquitectura (Arcila 1990)
covauto 21
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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TUCK C R BROWN FR Dynamics of a torsional type inertia shaker Journal of agricultural Engineering Research 19(3) 213-225 1974
WANG KJ Mecllanical coffee harvesting (Part A B) Transactions of the ASAE 8(3) 400-405 1965
WANG KJ SHELLENBERGER FA Effects of cumulative damage due to stress cycles on selective harvesting of coffee Transactions of the ASAE 10(2) 252-255 1965
covauto 53
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YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
La falta de poda hace que el leno productiv~ se transforme en lena permanente
aumentando el tamano del esqueleto del cafeto esto conlleva a cosechas
irregulares porque la zona de produccion se reduce y aumenta el
autosombreamiento (Manual del Cafetero Colombiano 1979)
Arcila (1990) describe las regiones fisiologicas en la planta de cafe indicando
cinco zonas de crecimiento existiendo entre elias diferentes condiciones de luz y
temperatura la zona de senescencia (PI) zona de crecimiento activo de frutos
(P2) zona de crecimiento de flores (P3) zona de crecimiento activo de hojas (P4)
y zona meristematica (P5) como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Regiones fisiologicas de una planta de cafe de tres alios de edad
Fuente Arcila 1990
En los nudos del tallo se van formando pisos de ramas primarias de abajo hacia
arriba y en los nudos de las ramas primarias se van formando flores y frutos desde
la base hacia el extremo a medida que van creciendo Las ramas presentan
cornpetencia entre el crecimiento vegetativo y reproductiv~ 10 que causa una
alteracion en el volumen de produccion este habito de crecimiento natural del
cafeto produce la fructificacion bienal esto es un ano el volumen de produccion
es alto y en el siguiente es bajo y as sucesivamente (Manual del cafetero
colombiano 1979 Mestre et ai 1994)
covauto 22
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Salazar et al (1988) realizaron un estudio sobre las caracterfsticas morfologicas
productivas y componentes del rendimiento de la variedad Colombia para las
condiciones de Chinchina (Caldas) en un cafetal de 10000 plantashectarea de
60 meses de edad encontrando entre otros los siguientes resultados 221 cm de
altura de la planta 92 ramas primarias 43 ramas productivas fndice de
produccion entendido como la relacion entre las ramas primarias productivas a
ramas primarias totales del 467 11 nudos productivos por rama 6 frutos por
nudo 488 nudos productivos larbol y 3534 hutos por arbol
Arcila y Chaves ( 1995) realizaron en Chinchina (Caldas) un estudio sobre el
desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra y encontraron para la
variedad Colombia de cinco anos de edad que el numero de hojas aumenta con el
tiempo de acuerdo a la densidad del cultivo Para una densidad de 2500
plantashectarea el desarrollo foliar teorico es de 12521 hojasplanta para 5000
plantashectarea es de 11623 hojasplanta y para 10000 plantashectarea es de
4365 hojasplanta Encontraron ademas que el numero total de hojashectarea
para esas densidades es de 31 302500 58115000 Y 43650000
respectivamente
13 MECANISMO INERCIAL UTILIZADO POR LAS COSECHADORAS
COMERCIALES DE CAFE
Es muy escasa la informacion que se encuentra en la literatura consultada sobre
los planteamientos teoricos y los analisis estatico y dinamico de los mecanismos
inerciales utilizados en los modelos de cosechadoras existentes tanto para cafe
como en otros cultivos La mayor informacion tecnica es la que suministran los
catalogos comerciales de los fabricantes y hacen referencia ademas de las
caracterlsticas tecnicas de construccion operacion y mantenimiento de la maquina
a la velocidad de rotacion de los agitadores a las dimensiones y materiales
covauto 23
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
utilizados en la fabricaci6n de las varillas y a la distribuci6n espacial de las
mismas
Los mecanismos presentes en las tres versiones de maquinas cosechadoras para
cafe lIevan masas excentricas que giran desfasadas 1800 para producir la
vibraci6n peri6dica La velocidad de desplazamiento de la maquina depende del
estado de maduraci6n del cafe al inicio de la cosecha cuando hay poco cafe
maduro sobremaduro y seco (alrededor de un 30) la velocidad recomendada es
muy baja del orden de 05 kmh y al finalizar la cosecha cuando el 100 de los
frutos estan sobremaduros y sec os la velocidad es incrementada hasta 15 kmh
Studer (1968) citado por Wong (1995) patent6 un agitador de dientes cortos y
rfgidos su diseiio fue incorporado posteriormente a las cosechadoras de uva y
tomates
Tuck y Brown (1974) derivaron una ecuaci6n compleja para el Torque generado
por un agitador rotatorio tipo inercial y concluyeron que su valor depende de las
masas excentricas y de la inercia del agitador de dientes Su analisis esta
enfocado mas al diseiio de los agitadores de inercia que a la evaluaci6n de los
mismos
Wong (1995) fue el primero en proponer un modelo dinamico de un agitador de
dientes tipo inercial para la cosecha de cafe A pesar de que sus anal isis son de
indudable valor el propio autor concluye que sus resultados no permiten que sean
usados para el diseiio de cosechadores Sin embargo el modelo del sistema
dinamico utilizado para el calculo de la potencia del sistema vibrador que se
describe a continuaci6n merece especial atenci6n y fue tenido en cuenta en los
analisis del presente trabajo
covauto 24
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
EI cosechador usado par Wong (1995) para el anal isis se muestra en la Figura 3
MOTOR EHRunURA DE SOPORTE
EHRunURA DEL (DHJUHTO VIBRADOR _ _ t
EJE DE LA EXCEHTRIpound- ~~~~iiiiIr+-- POLEAS l CORREAS -~~l jr~_lt DE TRAHSMlSU1H ~l b
MASA EXpoundEHTRICA _iJ~ I =a~~
DEDOS 0 DIEHTB ~~~-=-- ---~
~-bull~ -==--~
~bull=-
J ~Lu bullbull~~ a=lJ 1
a=xmiddotJ
~~
~- -~ ~-r=== ~E~
I t ~
~-L_ II
~--L~cr-~~~
~L~ ~ shyf
TUBO PORTADIEHTES ~
Figura 3 Vista de lado del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
Para efectos del analisis se define (Figuras 3 y 4)
bull Armaz6n el conjunto de elementos formados par el tubo portadientes (batidor
sin los dedos 0 dientes) poleas y correas de transmisi6n (En el COVAUTO la
transmisi6n es por cadenas yengranajes) ejes de las excentricas y estructura
del conjunto vibrador
bull Cabeza del cosechador compuesta par el armaz6n los dedos 0 dientes y las
masas excentricas (me) Esta fue simplificada por Wong (1995) considerando
los dientes como una masa equivalente al final de una varilla con constante de
resorte k y masa combinada m2 y teniendo la misma frecuencia natural de un
diente (Figura 5)
covauto 25
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Figura 4 Vista en planta del sistema cosechador tipo torsional
~ f m~-
--+ --------~-- ~I
I i~r( _
I
II
I II I f shyI l I
~ V i-----i ~
Figura 5 Esquema simplificado de la cabeza vibratoria del cosechador tipo torsional
Fuente Wong (1995)
bull Excentricidad (e) distancia entre el centro del eje de la excentrica y el centro
de gravedad de la masa excentrica
bull Distancia entre el eje de la excentrica y el eje del batidor (I)
covauto 26
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
r
bull Longitud del diente (R) tomada desde el centro del eje batidor
La frecuencia natural de los dientes correspondiente a su masa equivalente es 12
COn = (kim)
Como solo la mitad de los dientes entran en contacto con el follaje del arbol el
modelo del sistema de varilla y masa equivalente fue dividida en dos partes
identicas como se muestra en la Figura 5 (m2a y m2b)
EI sistema tambien fue simplificado aproximando el sistema rotacional a un
sistema translacional asumiendo pequenos desplazamientos angulares e inercias
rotacionales La inercia rotacional del armazon puede calcularse como
I m1 R2 Donde I armazon m1 se define como la masa del armazon
En la Figura 6 que representa el modelo translacional de la cabeza del
cosechador x e y son respectivamente las posiciones del armazon y de la masa
equivalente de los dientes La constante de amortiguamiento b es debida a la
friccion de los cOjinetes montados sobre el armazon y la constante de
amortiguamiento b1 es debida a la friccion del aire
____ x
-shy -~
Figura 6 Modelo translacional de la cabeza del cosechador
covauto 27
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
No incluyendo el arbol las ecuaciones diferenciales que describen el sistema
segun los diagramas de cuerpo libre del armaz6n y de la masa equivalente de los
dientes (Figuras 7 y 8) son
(m1) X
r1 (l XF( t) f
l ) k~x---) Y
Figura 7 Diagrama de cuerpo libre del armazon (m1)
Figura 8 Diagrama de cuerpo libre de la masa equivalente de los dientes (m2)
F(t) m1 x + bx + k(x - y) (1 )
k(x y) m2y + b1y (2)
La funci6n de transferencia del desplazamiento de los dientes a la fuerza de
entrada fue derivada usando las anteriores ecuaciones transformandolas en el
dominio de s y utilizando el programa MathCAD obteniendose la siguiente
relaci6n
Y(s)
F(s) m1m2s4 + (m1b2 + b1m2)s3
k
+ (b1b2 + m1k + m2k)s2 + (b1k + b2k)s
(3)
covauto 28
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
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z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Un esquema de la masa excentrica rotando alrededor del armaz6n con una
velocidad angular constante (u) relativa al armaz6n se muestra en la Figura 9
La masa m1 consiste de la masa equivalente total del armaz6n oscilando como
fue definida anteriormente EI origen esta localizado sobre el eje de giro de m1 y la
distancia del centro de gravedad de la masa excentrica (me) al eje de giro de la
masa m1 es la excentricidad (e) EI armaz6n m1 es libre de moverse solamente en
direcci6n x EI angulo del eje i al eje de me es una funci6n del tiempo y es
expresada por e (t) = (0 t
j L
~-_ x
Figura 9 Masa excentrica girando alrededor del armazon
En la Figura 10 se observan todas las fuerzas actuando sobre me La velocidad
angular constante causa una fuerza centrffuga (Fc) sobre m1 y una fuerza
centrfpeta (Fx) sobre la masa excentrica me La fuerza centrffuga esta dada por la
siguiente ecuaci6n
Fe= me e (02 (4)
EI eje de la masa excentrica (me) esta rfgidamente montada sobre el armaz6n y
cuando esta se acelera la masa excentrica (me) tendrfa la misma aceleraci6n Si
el armaz6n se acelera en la direcci6n x la masa excentrica tambien se acelerarfa
en la misma direcci6n De ahf que la fuerza centrfpeta debida al motor por la
conexi6n con el armaz6n serfa
covauto 29
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
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t -R1J ant 4
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0shy
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2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
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1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Fx =me x (5)
me
(J)~ i
i bull
I
middot1)1 )
Figura 10 Esquema de la masa excentrica girando alrededor del armaz6n
En el diagrama de cuerpo libre de la Figura 11 la fuerza total resultante actuando
sobre la masa excentrica (me) es Fu Debido a la forma como la masa excentrica
esta conectada con el armaz6n la fuerza de reacci6n en la direcci6n x sobre la
masa excentrica debido al motor es la fuerza (Fx) que acelera el armaz6n
me Fu 1
Fu
Figura 11 Fuerzas actuando sobre la masa excentrica
Si el armaz6n es restringido a rotar la fuerza actuando sobre el armaz6n es la
componente en I de la fuerza centrffuga Si el armaz6n gira entonces la fuerza
covauto 30
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
r actuando sobre el armaz6n es la diferencia entre la fuerza centrifuga y la fuerza
actuando sobre la masa excentrica debido a la aceleraci6n del armaz6n (Fx) La
fuerza de reacci6n Fu en la direcci6n T es la fuerza actuando sobre m1 y se
encuentra resolviendo las fuerzas Fx y Fc en sus respectivas direcciones
~ ~ 2 2 Fu = me i ( x + eu cos e) + me j (e u sin e) (6)
EI torque requerido por el motor sera el producto vectorial
A = me x e sine k (7)
La potencia para mover el armaz6n sera la fuerza actuando sobre el armaz6n
multiplicada por la velocidad siendo esta encontrada diferenciando la funci6n
desplazamiento expresada por la ecuaci6n (8)
x(t) = Xst cos(u t) (8)
Obteniendo la siguiente expresi6n para la velocidad
o x(t) u sin(u t) = -Xst u cos(u t -) (9)-xst
2
La potencia requerida estara dada por la siguiente expresi6n
2 0 P = -me (x - e u cos(u t)) xst U cos(u t ) (10)
2
EI modelo lineal de segundo orden para el arbol sintetico propuesto por Wong
(1995) no fue tenido en cuenta en este experimento porque los parametros
utilizados no se ajustan para cubrir los diferentes tamanos y demas caracterfsticas
arquitect6nicas del arbol
covauto 31
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
i r
2 MATERIALES Y METODOS
21 LOCALIZACION
EI diseno del COVAUTO fue lIevado a cabo en el laboratorio de cosecha mecanica
de Cenicafe y su construcci6n en zona adjunta al taller de Ingenieria Agricola
La instalaci6n de sensores e instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los
datos se hizo en el beneficiadero experimental de la Disciplina Las pruebas de
calibraci6n y ajuste y las pruebas preliminares de campo se Ilevaron a cabo en
un lote ubicado en la Granja Sede Central de Cenicafe localizada a OsoOO latitud
Norte 7s036 longitud Oeste y 142Sm de latitud con las siguientes caracteristicas
anuales de clima lIuvia 2S30mm evaporaci6n 1300mm temperatura media
20OdegC temperatura maxima 268degC y minima 1S8degC brillo solar 1830 horas y
78 de humedad relativa (Federaci6n Nacional de Cafeteros de Colombia 1998)
22 MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales y equipos utilizados en el presente experimento tienen en cuenta
los empleados para la construcci6n de los diferentes sistemas que componen el
COVAUTO los correspondientes a la instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
al sistema telemetrico de adquisici6n de datos y a la fuente de potencia
seleccionada para remolcar el COVAUTO
23 METODOLOGIA
La metodologfa de este experimento se dividi6 en tres etapas teniendo en cuenta
el objetivo especifico propuesto
covauto 32
( i j hi
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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WONG CK Dynamics of a torsional type inertial coffee harvester Ohau University of Hawaii 1995 66p ( Thesis Magister of Science)
YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
231 Etapa 1 Diseno construcci6n y ensamble del prototipo experimental
EI diseno se hizo utifizando el metoda del factor de seguridad (Shigley y Mischke
1990 y Srivastava et ai 1994) y el programa Mechanical Desktop 20 La
construcci6n y ensamble siguiendo las normas de seguridad 0 de diseno
establecidas por la ASAE (American Society of Agricultural Engineers)
232 Etapa 2 Instrumentaci6n electr6nica del COVAUTO
Los sensores y los instrumentos de medici6n y control fueron seleccionados
teniendo en cuenta los principales parametros a evaluar fuerza de tiro requerida
por el COVAUTO frecuencia de los agitadores amplitud de oscilaci6n de los
dientes y potencia requerida para la operaci6n del sistema vibrador
La selecci6n de la instrumentaci6n tefemetrica tuvo en cuenta las evaluaciones
que se haran posteriormente en el campo especfficamente en la Estaci6n Central
Naranjal situada a 12 km del laboratorio de cosecha mecanica de la Disciplina de
Ingenierfa Agricola de Cenicafe
233 Etapa 3 Puesta a punto del sistema telemetrico y el conjunto tractor
COVAUTO
Se verificaron y analizaron los datos te6ricos de funcionamiento del conjunto en
condiciones de vacfo (evaluaci6n sin cafetos) en cuanto al rango de frecuencia de
los agitadores a la velocidad de desplazamiento del conjunto tractor COVAUTO a
la amplitud de oscilaci6n de los dientes para las diferentes masas definidas en el
diseno ala potencia requerida en el rango de operaci6n del sistema vibrador y a
la potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de velocidad
obtenido con el desplazamiento del conjunto
covauto 33
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
3 RESULTADOS Y DISCUSION
31 ETAPA 1 DISENO CONSTRUCCION Y ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
EXPERIMENTALshy
Los pianos de diseno del prototipo experimental se presentan en el anexo 1 las
memorias de calculo en el anexo 2 y los materiales utilizados para su construcci6n
en el anexo 3 Su desarrollo se hizo con base en los siguientes sistemas
311 Sistema estructural
Un marco tipo cercha y de forma rectangular fabricado con angulos de 20
pulgadas atiesados en la parte superior y media angulos de 1 Y2 pulgadas que
soportan el peso de todos los componentes y tubos de acero Schedule 40 como
base para las ruedas y futuro sistema de direcci6n hidraulica (Figura 12) La
estructura tiene 2 m de ancho por 2 m de alto y 3 m de largo
Figura 12 Prototipo experimental Cosechador Vibrador de follaje (COVAUTO)
covauto 34
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
312 Sistema de potencia
Motor Diesel Perkins de 40 HP de potencia y 235 kg de peso situado en la parte
posterior izquierda (mirado de frente) y con un despeje de un metro con respecto
al suelo
313 Sistema de combustible
Compuesto por la bomba de alimentaci6n de combustible adjunta al motor y un
tanque de combustible de 55 galones de forma rectangular y ubicado en la parte
posterior izquierda y superior de la estructura (mirado de frente)
314 Sistema hidraulico
En la Figura 13 se presenta el diseno del sistema hidraulico que ha sido
instalado en el COVAUTO incluyendo los sensores correspondientes y en la
figura 14 se presenta una foto del mismo EI circuito hidraulico presenta los
siguientes elementos conforme a la numeraci6n de la figura 13
covauto 35
~I
Ii
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
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covauto 58
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Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
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1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Figura 13 Circuito hidHlulico disenado para el COY AUTO
1 Tanque con capacidad de 100 galones de aceite 2 Visor de nivel y de temperatura del aceite 3 Filtro de aire triseptor 934330 4 Filtro de succion 5 Bomba 6 Acople y campana de alineacion 7 Valvula de seguridad 8 Manometro y aisladora 9 Filtro de retorno 10 Valvula de control de flujo compensado 11 Valvula 42 de con retencion mecanica 12 Motor hidraulico tipo gerotor 13 Flujometro Medland con salida analoga 14 Transductor de presion con salida analoga 15 Tac6metro con indicacion digital
covauto 36
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Figura 14 Principales componentes del sistema hidraulico
Los datos tecnicos de los principales componentes del sistema hidraulico se
presentan a continuaci6n
3141 Bomba
bull Referencia PAVC 65 bull Tipo Pist6n Axial bull Caudal a 1800 RPM 31GPM bull Presi6n maxima continua 3000Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi
1800bull RPM bull Caudal maximo te6rico a 1800RPM 31 2 GPM bull Caudal de aplicaci6n 31 2 GPM bull Factor de servicio 45
3142 Motores hidnlulicos
bull Tipo Gerotor bull Referencia M2B169
bull Desplazamiento 169 in3Rev bull Presi6n maxima 3000 Psi bull Presi6n de aplicaci6n 1100 Psi bull RPM 1000 bull Torque a 1100 Psi 200 Lb in
bull Caudal de consumo a 1800RPM 812 GPM bull Factor de servicio 8
covauto 37
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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T
ANEXOS
bull
covauto 55
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-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
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2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
3143 Valvula de control de flujo compensada
bull Referencia PCM 800
bull Tipo piston diferencial bull Caudal maximo 15GPM bull Caudal minima 15 GPM bull Caida de presion 150 psi bull Presion de control plusmnS
315 Sistema de vibraci6n
Conformado por
3151 Conjunto de vibradores Cada uno consta de un eje principal de acero
de 25 pulgadas de diametro y de dos ejes secundarios de acero de 20 pulgadas
de diametro unidos ados placas tambien de acero de 1-4 de pulgada de espesor
que integran un sistema de transmision por pinones (60B27 con manzana para
bufin) y cadena ANSI 60 (paso ) que transmiten el movimiento a un par de
masas excentricas de peso variable (2 a 10 kg) Y que proporcionan el movimiento
vibratorio deseado A cada uno de los ejes viene acoplado un motor hidraulico
responsables de suministrar la potencia del sistema
3152 Agitadores de dientes Tubos de acero de 40 pulgadas de diametro
concentricos con los ejes principales y unido al conjunto vibradar par medio de
bridas de teflon y que tienen movimiento circular independiente de los ejes
principales gracias a los rodamientos rfgidos de bolas situados en los extremos
(Figura 15)
covauto 38
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Figura 15 Detalles de los agitadores de dientes y del sistema de captura de frutos desprendidos
3153 Dedos 0 dientes vibradores De 40 cm de longitud y 0953 cm (38) de
diametro van montados a 10 largo de los agitadores sobre anillos de teflon
(inicialmente 20 dedos por cada anillo y entre 9 y 20 anillos por agitador) y que se
probaran de tres materiales macana (Wettinia kalbreyen) plastico de ingenierfa
(prolon) y fibra de vidrio Se ubicaran sensores en algunos de ellos para analizar
fuerzas de impacto y de desprendimiento de granos
316 Sistema de captura de granos
Consta de dos hileras de 21 pal etas fabricadas en PVC situadas en la parte
inferior del vehfculo cuyo objetivo es el de capturar los granos que van cayendo a
medida que el COVAUTO pas a por el surco y depositarlos en las bandejas
situadas a ambos lados de este Las paletas van montadas unas sobre otras con
un grado de inclinacion de 5deg para que cada una se pueda mover con libertad sin
interrumpir el movimiento de las adyacentes y son abatibles hacia atras para darle
paso al arbol y regresan a su posicion inicial por medio de un sistema novedoso
de banda elastica de neumatico montados en la parte inferior de las mismas
donde se encuentran las bandejas almacenadoras de granos construidas a
covauto 39
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
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2- Qjll drdDn C~nt 1
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4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ambos lados del vehrculo formando una carda ados aguas con una inclinacion de
15deg Las pal etas se encuentran a 55 cm del piso y la parte inferior del deposito de
granos a 30 cm (Figura 15)
317 Sistema de enganche
Por tratarse inicialmente de una maquina de tiro el COVAUTO sera remolcado
desde un solo punto mediante una barra de tiro construida de eje cuadrado
calibrado de 1 pulgada de lado y de 2 metros de longitud En la Figura 16(a)
se observa el sistema de enganche en posicion de transporte y en la Figura 16(b)
en posicion de trabajo En esta ultima posicion el COVAUTO posee dos varillas
guras delanteras para levantar las ramas bajas del arbol y conducirlas por encima
de las pal etas hacia el sistema de dientes vibradores
Figura 16
(a)
COVAUTO en posIcion de transpposicion de trabajo (b)
orte (a)
(b)
y conjunto tractor-COVAUTO en
318 Tractor agricola
La potencia para remolcar el COY AUTO sera suministrada por un tractor
Agricola marca Kubota modelo B-2100 de 21 HP de potencia con motor diesel
covauto 40
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
de 3 cilindros tracci6n en las cuatro ruedas y capacidad de lastre frontal mediante
pesas Uantas delanteras 600x12 lIantas traseras 800x16 trocha delantera y
trasera de 1m peso de745kg altura130m direcci6n hidraulica y capacidad de tiro
de tres toneladas sobre ruedas
319 Resumen de las caracteristicas tecnicas
En la Tabla 2 se presentan las caracterfsticas tecnicas medidas y evaluadas en el
COVAUTO
Tabla 2 Caracteristicas tecnicas del Prototipo experimental
ESPECIFICACION COVAUTO
DIMENSIONES (m) LARGO ANCHO ALTO PESO (kg) POTENCIA DEL MOTOR (HP) CONSUMO COMBUSTIBLE (lIh)
VELOCIDAD DE TRANSPORTE (kmh)
VELOCIDAD DE OPERACION (kmh) RENDIMIENTO (halh)
ALTURA DE LA COSECHA (m) ESPACIAMIENTO ENTRE SURCOS (m) PENDIENTE DE OPERACION () PRECIO (US $~ Diciembrel98
30 20 28
2600 40
ND 75
1 a 5 ND 22 20
lt 30 ~I
90000 No disponible
Un analisis comparativo con las otras maquinas existentes en el mercado mundial
(Tabla 1) muestra que a pesar que el COVAUTO esta concebido como un modelo
experimental una eventual conversi6n a autopropulsado (previsto en el diseno)
generarfa cuatro cam bios importantes
1) La inclusi6n de un sistema de suspensi6n automatica que Ie permitira cosechar
en terrenos con pendientes hasta el 30 Esta adici6n estara compuesta de
covauto 41
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
una bomba cuatro motores hidraulicos cuatro cilindros hidraulicos dos
servovalvulas y mangueras de conduccion Todo con un peso de 200 kg
2) Cambio a un nuevo sistema de traccion esto es cuatro lIantas de grabado
especial con aproximadamente 100 kg de peso
3) La inclusion de un sistema de direccion hidraulica Esto conllevarfa al cambio
de la posicion del motor y a la ubicacion de una cabina para el conductor del
COVAUTO con peso aproximado de 100 kg incluido el conductor
4) Un nuevo sistema de frenado de disco de aproximadamente 40 kg de peso
Por 10 tanto se considera que las dimensiones del equipo comparadas con los
comerciales son menores a pesar que el COY AUTO por la adicion de la cabina
del conductor y cambio en la posicion del motor aumentarfa la longitud del equipo
en un metro para un largo total de 4m EI COVAUTO queda supeditado a
trabajar en lotes que esten sembrados a dos metros entre surcos
En cuanto al peso este se acrecentarfa hasta aproximadamente 3000 kg que
sigue siendo inferior a los existentes en el mercado
covauto 42
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
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ANEXOS
bull
covauto 55
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1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
32 ETAPA 2 INSTRUMENTACION ELECTRONICA DEL COVAUTO
Incluye los sensores los instrumentos de medici6n y control y el sistema
telemetrico de adquisici6n de datos
321 Sensores
Fueron ubicados los siguientes
bull Celda de carga Para medir la fuerza de tiro requerida por el COVAUTO tanto
en posici6n de transporte como en posici6n de trabajo e instal ada entre la
barra de tiro del tractor y la barra de enganche del COVAUTO Posee las
siguientes caracteristicas
bull Capacidad 3000 Iibras (1389 N) bull Resoluci6n 1 en 5000 bull Alta resistencia a la intemperie Nema12 bull Salida a computador 0-5 voltios bull Modo de operaci6n tracci6n bull Rango de temperatura -30 hasta 50 grados centigrados bull Elemento de visualizaci6n display de 7 segmentos bull Cristal Ifquido
Amplificador basado en instrumentaci6n con baja deriva termica y autocero con
referencia ICL 7606 EI circuito acondicionador permite ademas el ajuste manual
del cero y el span con el fin de poder utilizar el dinam6metro en otras
aplicaciones adicionales La senal de salida del acondicionador se conecta a la
UIP (Unidad Inteligente de Proceso) para ser transmitida por el sistema de
telemetrfa
La celda es capaz de generar una senal en tiempo real que muestre la fuerza
instantanea que ejerce el tractor sobre el COVAUTO Adicionalmente gracias a
un proceso estadfstico desde el computador puede obtenerse tam bien el dato de
potencia y trabajo desarrollado por el COVAUTO
covauto 43
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
bull Acelerometros Se utilizaran aceler6metros referencia ADXL 190 producidos
por la empresa Analog Devices construidos en un unico ship monoHtico
Contiene un sensor micromaquinado y un circuito de acondicionamiento de
senal implementado en una arquitectura de lazo abierto de aceleraci6n EI
ruido tfpico es de 4 milig sobre rafz cuadrada de la frecuencia Contiene un
filtro de dos polos Bessel conmutado y posee ademas las siguientes
especificaciones
Aceler6metro MEMS construido en un mismo chip sensor y acondicionador
electr6nico
bull Resolucion de 40 mili-g bull Bajo consumo de corriente 2 mA bull Ancho de banda de 400 Hz bull Operacion desde una sola fuente de voltaje +5 V bull Resiste sobrecarga de vibracion hasta de 2000 g bull Rango plusmn 100 g
Control de flujo compensado
bull Referencia PCM 800 bull Tipo Piston Diferencial
bull Caudal maximo 15 GPM
bull Caudal minimo 15 GPM
bull Carda de presion 150Psi
bull Presion de control plusmn5
Transductor de presion bull Referencia K17M0242 HM bull Exactitud y coeficiente termico 1 plusmn004 bull Conexion Y4 tlPT Maximo bull Salida 4-20MA bull Conexion electrica HIRSHMAN bull Rango 0-3000 PSI
Transductor de flujo bull Referencia SN 64407-KB bull Rango de medicion 0-48 GPM bull Rango de salida 4-20MA bull Conexion 1 116 JIC
Indicador de RPM bull Rango de medicion 5-100000 RPM bull Precision plusmn 1 RPM bull Configuracion de entrada 1 PulseRevolucion bull Indicacion Electronica digital Display
7 Segmentos por LED
covauto 44
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
322 Instrumentaci6n telemetrica para el manejo de los datos
3221 Interfaz mecanica de los Aceler6metros Los Acelerometros estan
ubicados en puntos estrategicos de los dientes 0 dedos del agitador en el extremo
parte central y punto de acople al agitador La senal electrica es transmitida
mediante un acople mecanico de escobillas permitiendo su transmision desde el
acelerometro sin perdidas gracias a un filtro pasabajos el cual actua como un
circuito de muestreo y retencion EI dispositivo de escobillas consta de un anillo
aislado electricamente del agitador al cual se conecta mecanicamente una
pequena lengueta a la UIP Adicionalmente tambien se usa otro acople de
escobillas para transmitir el voltaje de alimentacion al sensor (acelerometro) EI
acople descrito es necesario pues el agitador de dedos gira 0 rota con respecto a
la estructura del COVAUTO En total se dispondra de ocho dispositivos de
escobillas seis para los sensores y dos para la aplicacion del potencial de
polarizacion al acelerometro
3222 Unidad Inteligente de proceso (UIP) Constituida por un
microcomputador basado en un microcontrolador de la familia PIC Realiza las
operaciones de adquisicion digitalizacion y transmision Los sensores se colocan
directamente a la UIP mediante conectores apropiados y etiquetados La UIP
realiza ademas la conversion del formato 4-20 rnA al formato 0 - 5 voltios y la
demodulacion de frecuencia a voltaje EI formato final de las senales es entonces
o - 5 voltios Lo anterior esta contenido en una tarjeta de adecuacion
acondicionamiento y calibracion Las salidas se lIevan a traves de un
multiplexador hasta el conversor analogodigital
La digitalizacion se logra gracias a un conversor analogodigital de 12 bits y 25
microsegundos de tiempo de conversion La tecnica de conversion es de
aproximacion sucesiva para garantizar la velocidad requerida La adquisicion es
secuencial canal por canal Una vez digitalizada la senal es incorporada a una
trama digital con protocolo RS-232C y transferida al radio para su transmision La
covauto 45
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 52
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covauto 53
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YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
trama contiene una clave para asegurar la autenticidad del dato recibido EI
computador receptor solo reconoce los datos que tienen la clave
3223 Radio La transmision se obtiene mediante un radio motorola de 2 watios
en el rango de frecuencias de 470 a 500 Megaherzios Esta franja de frecuencias
se utiliza en el mundo para comunicaciones de experiencias y ensayos cientificos
Un dispositivo adicional al radio es el modulador (modem) EI modem convierte los
unos y ceros de la trama digital a rafagas de audio (1200 Hz para el cero y 1700
Hz para el uno) Finalmente la senal es transmitida mediante una antena
ominidireccional
3224 Receptor La senal transmitida es recuperada mediante una antena yagi
de 10 decibeles de ganancia y conducida al radio receptor tambien motorola EI
radio demodula y conduce la senal hacia el demodulador (modem) Este convierte
las rafagas de audio mencionadas anteriormente a unos y ceros restableciendose
la trama original en protocolo RS-232C La senal digital es conectada a un
computador PC a traves del puerto serie
3225 Software de adquisicion La adquisici6n visualizaci6n procesamiento
registro y segunda transmision es ordenada por un programa en ambiente
Windows (LAB-VIEW) Esto convierte al computador PC en un instrumento virtual
capaz de ofrecer flexibilidad para futuras aplicaciones y posibilidad de
ensancharniento para mas canales Gracias a la flexibilidad del software es posible
realizar cambios y agregar otros sensores
3226 Software para comunicaci6n via tehHono La transrnisi6n entre
Naranjal y las oficinas de Ingenierfa Agricola de Cenicafe se lograra mediante la
conexi6n telefonica digital automatica utilizando la infraestructura de citofonia que
posee el Centro As es posible recuperar los datos producidos por el COVAUTO
desde un PC ubicado en las oficinas de Cenicafe como se dijo antes Esto
significa que es posible tomar decisiones en tiempo real con respecto a la
covauto 46
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
instrumentacion 10 cual agiliza la toma de datos y evita perdidas innecesarias de
tiempo La adrninistracion de la instrumentacion se hace mas simple y comoda
3227 Otros elementos La unidad telemetrica operara con baterfa recargable
de 12 voltios y 40 arnperios dotada con cargador automatico Asf mismo se tendra
pararrayos y puestas a tierra
3228 Computador Se requiere mfnimo las siguientes especificaciones
Pentium II de 400 MHz disco duro de 6 GB Y memoria 64 MB RAM
33 ETAPA 3 PUESTA A PUNTO DEL SISTEMA TELEMETRICO Y EL
CONJUNTO TRACTOR -COVAUTO
Los resultados del funcionamiento del conjunto en condiciones de vacfo fueron los
siguientes
bull Rango de frecuencia de los agitadores entre 500 y 1000 rpm
bull Rango de velocidad de desplazamiento entre 05 y 2 kmh
bull Amplitud de oscilacion de los dientes entre 2 y 12 cm
bull Potencia requerida en el rango de operacion del sistema vibrador hasta 4
HPvibrador
bull Potencia requerida en la barra de tiro del COVAUTO para el rango de
velocidad obtenido con el desplazamiento del conjunto entre 3 y 10 HP
En la Tabla 3 se presenta el rango de velocidad del conjunto tractor - COVAUTO
en posicion de trabajo sin carga (evaluacion sin cafetos) que en estas pruebas
lIevadas a cabo sobre grama oscilo entre 108 Y 1108 kmh Asf mismo se
muestra que el tiro maximo promedio sobre el mismo terreno fue de 1800 N valor
que se considera normal para este tipo de equipos
covauto 47
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Tabla 3 Rango de velocidad y tiro promedio del COVAUTO en posicion de trabajo sin carga
TRACTOR KUBOTA VELOCIDAD TIRO
[doble transmision] [kmh] PROMEDIO
[N]
1 era BAJA 108 1800 2 da BAJA 170 1500 3 era BAJA 312 700 1 era ALTA 393 1500 2 da ALTA 628 900
1108 700 FUENTE Pruebas de campo
covauto 48
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
T
4 CONCLUSIONES
Se construyo un prototipo que perrnite desprender frutos de cafe mediante la
aplicacion de vibraciones al follaje Para su diseno se partio de informacion basica
de las diferentes estructuras del arbol y de los frutos generada en CENICAFE de
la informacion reportada en la literatura y de la tecnologfa existente en otros
parses para la cosecha de cafe
EI COVAUTO sera utilizado para desarrollar tecnologfa para la cosecha selectiva
(principalmente frutos maduros) del cafe Esta equipado con la tecnologia
necesaria para medir en laboratorio y en el campo las variables mas importantes
en cosecha bajo diferentes parametros de vibracion (frecuencia de agitacion
masa de excentricas velocidad de avance de la maquina) fuerza de impacto en
diferentes partes de los agitadores fuerza y amplitud transmitidas a las ramas
potencia generada por los agitadores y fuerza de arrastre del COVAUTO y
esfuerzos en diferentes partes del chasis del COV AUTO en condiciones estaticas
y de trabajo (ver seccion 33)
EI prototipo experimental es de tipo excentrico que permite el espacio suficiente
para observar y analizar con camaras de video de alta velocidad el proceso de
desprendimiento de los frutos de los nudos Ademas los sensores y la
instrumentacion electronica instalados que sumados a los sensores que se
ubiquen en el arbol permiten conocer las condiciones de entrada y de salida
(Excitacion y respuesta) propicias para el modelamiento del sistema
La informacion obtenida sera utilizada para el rediseno del COVAUTO y para el
diseno de tecnologfa de menor y de mayor escala con la cual se pueda atender las
necesidades de recoleccion de caficultores colombianos de diferentes niveles de
produccion con fincas localizadas en suelos con pendiente de 0 al 50
covauto 49
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Este esfuerzo multidisciplinario adelantado en CEIlICAFE con la participaci6n de
universidades y de la empresa privada para desarrollar tecnologla para la
cosecha mecanizada de cafe es un ejemplo que debe servir de punto de partida
para desarrollar la tecnologla de alto nivel de desempefio que requiere el sector
agricola colombiano para salir del rezago tecnol6gico a que ha estado sometido en
las ultimas decadas
covauto 50
5 BIBLIOGRAFIA
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
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covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
CIRO V HJ Estudio dinamico de la rama de cafe para el desarrollo de la cosecha mecanica por vibracion Medellin Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Agropecuarias 1997 98p (Tesis Ingeniero Agricola)
CIRO VHJ OLIVEROS TCE ALVAREZ MF MONTOYA REC Respuesta dinarnica de la rama del cafeto a la aplicacion de vibraciones unidireccionales Cenicafe 49(2) 151-161 1998
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CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991
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FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIONES DE CAFE CENICAFE Disciplina de Agroclimatologfa Archivos de informacion climatica 1950 a1998 Chinchina Cenicafe 1998
FRIDLEY R B YUNG C Computer analysis of fruit detachment during tree shaking Transactions of the ASAE 18(3) 475-481 1975
HONDA A F FAVA JFM SARTORI SBASTOSMV Efeito da colheita mecanica no cafeeiro r Congresso Brasileiro de Pesquisas Cafeeiras IBCGERCA 1979
JACQUET M La recolte mecanique du cafe situation actuelle Montpellier 1998
KASHIMA T Colheita mecanizada do cafe equipamentos desempenho e custo a nfvel de propriedade 12deg Congresso Brasileiro de Pesquisas Cafeeiras JACTO 1985
MARTINEZ R A VEGA T R MOLINA ME AGUILAR GR MORALES FA Reporte de investigaciones sobre cosecha mecanizada de cafe (Parte I) La Habana ISCAH 1988p 3-89
MARTINEZ R A MORALES FJ GOMEZ AD ALOYSIUSHN Determinacion de parametros de un organa de trabajo para cosecha mecanizada de cafe por vibracion Revista Ciencias Tecnicas Agropecuarias 2(3) 27-491989
MESTRE M A OSPINA OHF Estabilizacion de la produccion en las fincas cafeteras Chinchina Cenicafe 19944p (Avances Tecnicos Cenicafe No200)
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YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
MONROE GE WANG KJ Systems for mechanically harvesting coffee Transactions of the ASAE 11 (3) 270-278 1968
OMETTO D A A new Brazilian coffee harvester In Simposio Internazionale sulla Meccanizzazione Agrfcola Bologna November 1987 p55-58
ORTIZ C J Las maquinas agrlcolas y su aplicacion 5 ed Madrid Ediciones Mundi-prensa 1995 465 p
ORTIZ C J HERNANZ A Tecnica de la mecanizacion agraria 3ed Madrid Ediciones Mundi-prensa 1989 641 p
MONROE G E LEVIN J H Mechanical harvesting of cultivated blueberries Transactions of the ASAE 9(1) 4-5 1972
PELLENC R ARGENSON M BONICELLI B SEVILLA F Impulse shaking of tree fruit in France In International Symposiom on Fruit Nut and Vegetable Harvesting Mechanization Bet Dagam october 5-12 1983 Proceedingp97 -102
SALAZAR A JN OROZCO C FJ CLAVIJO P JF Caracterfsticas morfologicas productivas y componentes del rendimiento de dos variables de cafe Colombia y caturra Cenicafe 39(2) 43-60 1988
SARTORI S BASTOS MV TANGOAH FAVA JFM Derri9adora de cafe montada em trator cafeeiro 10deg Congresso Brasileiro de Pesquisas Cafeeiras JACTO 1983
SHELLENBERGER FA MYRES AL MONROEGE Hand-carried coffeshyharvesting equipment Transactions of the ASAE 12(6) 763-7651969
SHIGLEY J E Y MISCHKE CR Diseno en Ingenierfa Mecanica 5 ed(Cuarta edicion en espanol) McGraw - Hill Mexico 1990883 p
SRIVASTAVA A K GOERING EC ROHRBACH RP Engineering principles of agricultural machines S1 Joseph ASAE 1993 60 p
TUCK C R BROWN FR Dynamics of a torsional type inertia shaker Journal of agricultural Engineering Research 19(3) 213-225 1974
WANG KJ Mecllanical coffee harvesting (Part A B) Transactions of the ASAE 8(3) 400-405 1965
WANG KJ SHELLENBERGER FA Effects of cumulative damage due to stress cycles on selective harvesting of coffee Transactions of the ASAE 10(2) 252-255 1965
covauto 53
WATSON AG SCUDDERR MARMO PA Eficiencia do derricadora e recolhedor de cafe pela colhedeira mecanica nas variedades catuaf e mundo novo no Estado de Sao Paulo In Congresso Brasileiro de Pesquisas Caffeiras 7 dezembro 4-7 1979 Resumos Rio de JaneiroIBC- GERCA 1979 p7-10
WINSTON E C NORRIS C P Review Development of mechanised coffee production systems in Australia In COLLOQUE Scientifique International sur Ie cafe 15 Montpellier Juin 6-111993 Paris ASIC 1993 P397-410
WONG CK Dynamics of a torsional type inertial coffee harvester Ohau University of Hawaii 1995 66p ( Thesis Magister of Science)
YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
WATSON AG SCUDDERR MARMO PA Eficiencia do derricadora e recolhedor de cafe pela colhedeira mecanica nas variedades catuaf e mundo novo no Estado de Sao Paulo In Congresso Brasileiro de Pesquisas Caffeiras 7 dezembro 4-7 1979 Resumos Rio de JaneiroIBC- GERCA 1979 p7-10
WINSTON E C NORRIS C P Review Development of mechanised coffee production systems in Australia In COLLOQUE Scientifique International sur Ie cafe 15 Montpellier Juin 6-111993 Paris ASIC 1993 P397-410
WONG CK Dynamics of a torsional type inertial coffee harvester Ohau University of Hawaii 1995 66p ( Thesis Magister of Science)
YUIJG C WANG K J Response of coffee laterals to circular base motion Transactions of the ASAE 12(5) 580-583
covauto 54
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
T
ANEXOS
bull
covauto 55
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
o Ishy) laquo gt
o ()
OJ D
en o I J 0
o gtlt w
z laquo
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Imiddot
~ -
113 1
51
t -R1J ant 4
1
1~1
Iii
1D1 -I
31
0shy
]
2- Qjll drdDn C~nt 1
]- t j~ enhicB ~rtD ~ t ~
4- eJe ruil~ Cilht 4
covauto 58
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
espeSCli 6 rnm
Bridd base del eje 1-2 [a ntidad dI S ~~_-----L_~
covauto 60
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
1
r I
I I
I I
Cantidad 2
Canhd-ad 4
_5_ 2
Cantidad 2
Ccmtidad 8
-1- Carnisa Exterior ba~e del eje l- BujE ieparador rodamlento balil dill eJe 1-----1------1-----1
3- Coami~d rodoamiento e i~ celltral 4- (ami a rodamiento t-jt~ txcentrico$
covauto 61
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
1I
I
2
T dos IDs r~dond~[Is a 15 mm
1- Plna ~ip~radora de eacentric~~ (antidad 4 1-4
covauto 62
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
1
z
1- AniLla Eparador~ de I) dEd) ibradrore 1- 2 (an~idd 21
2- Slpltlrte~ dl L~~ ded()~ ibr~dln~ cijntid~d 21
6
covauto 63
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Excentrica
Cantidad (Uatro
1-2
1i
HI
6
I
Red(lndeo a 10 mm
----------shy--------shy shy
- --------shy----------shy-----------I I
I I
154shy
100
VyenR6-~+
4shy 4shy J
covauto 64
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
13 2-+----I-U-shy
1- Brida (onjunto eje (entral Cantidad 14
z- BridE ejes de ex(entricEs
(aniidad 16
covauto 65
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
Poleto t-e colectoro clbotlble
covauto 66
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
SISTEMA VIBRADOR
covauto 67
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ANEXO 2 Memorias de calculo del COVAUTO
1 Selecci6n de la fuente de potencia
P = 1 x n --7 (J) = 2TCf) P = 2TCfl --71 =-Eshy--7 f frecuencia 2TCf --7 f 1000 rpm P 42 HP x 6600 (Lbf pulls) --7 P =42 HP
P = 27720 (Lbf pull s)
f = 1000 ( rev 1min) 160 (min 1s ) --7 f =1667 (revs)
1 = 27720 (Lbf pulls) 2TC(radrev)1667 (revs)
1 =26465 (Lbf pul)
Motor perkins Modelo 31524 HP 40 RPM 1800 Peso 436 Lbf Sentido de rotaci6n del eje universal (scr) (mirando de frente al volante)
Circuito hidromecanica
Pot = 1 x RPM = 260(Lb - in) x 100(RPM) = 55 HP (41 kW)
63025 x l1g 63025 x 075
Pot 2 mot = 11 H P
Pot Dis =6 HP Pot lot = 17 HP (127 kW)
covauto 68
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
2 Calculo de la fuerza ejercida por la masa excentrica en su eje
FIGURA 1
m =20 (Kg) 0) =1000 (RPM) 105(5-1) Exe = 01 (m) 0) = 1000 ( rev 1min) x 21t(radrev) x 160 (min 15) ~ 0) =10472( 5middot1)
Fe = m x 0)2 X exe = 20 (Kg) X (105 (5-1))2 X 01 (m)
Fe =22050 (N) (224771 Kgf)
3 Calculo de las reacciones ejercidas por la fuerza en el eje central
f3 Ct + 180
FIGURA2
covauto 69
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
I =0225 (m) (225 mm) F =22050 (N) (224771 Kgf)
-7 + L Fx =0 F cos ~ + Rx -F cos a =0
Rx = F cos a - F cos ~
Rx =F (cos a - cos ~)
Rx ~ -2Fsin ( 2ex ~180) sin( -1802)
(2U+180jRx= 2FSin -- shy2
Rx = 2F sin (a + 180) Rx = 2F cos a
Rx 2F =44100 N
t + L Fy = 0 F sin ~ + Ry -F sin a =0
Ry = F sin a - F sin ~
Rx F (sin a - sin ~)
Ry ~ 2FCOS(2a~180) sin(-1802)
Ry = - 2F cos (a + 180) -7 Ry = 2F sin a
Ry = 2F =44100 N
F = [ (441002 + 441002) = 6236682 N 635747 Kgf
covauto 70
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
4 Calculo de la transmisi6n de potencia por cadena de rodillos
P = 35 HP n1 =n2 =1000 RPM c = 9 pul
UTILIZANDO EL COMPENDIO DE INFORMACION TECNICA Y PIUCTICA DE INTERMEC (TERCERr EDiCION AMPLIADA Y ACTUALIZADA 1998) SE SELECCIONARON LOS SIGUIENTES COMPONENTES
bull Pinon sencillo marca INTERMEC paso de 34 norma ANSI de 27 dientes con manzana
extra para bufin Ref 60 B 27
bull Bufin serie 5 50mm Ref Bufin S50x80
bull Pinon doble tipo pacha marca INTERMEC paso de con manzana extra para bufin de 27
dientes Ref 60 2B 27
bull Bufin serie 5 214 Ref Bufin 5-2114
bull Pinon norma ANSI marca INTERMEC 60 B 10 Ref 60 B 10
bull Union acodada marca RENOLD paso Ref 119063112
bull Lubricadores gota a gota
Longitud de la cadena
1) C = distancialpaso = 104734 = 1396 C=1396
2) 8 = N + n = 26+26 = 52 8 = 52
3) D= N - n = 26-26 = 0 D = 0
5) K = 0
6) E = 2C + 82 + KlC = 21396 + 522 + 01396
E = 5392 E = 54 eslabones
7) L = 5434 405254mm1 10287mm
L 10287 m
11 m cadena estandar sencilla de rodillo Ndeg60 paso 314 y 4 uniones acotadas
correspondientes a la cadena
covauto 71
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
5 Calculo del diametro del eje de la excentrica
115 70 70bull I j I middot1
I~
TT ~E r
W
FIGURA4
S
rLj
~ l w j
f R2
1180514 N 1067317N
FIGURA 5
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Su = 4569 Kgf cm2 (65 Ksi) Ss = 3445 Kgf cm2 (49 Ksi) i Sy =3374 Kgf cm2 (48 Ksi)
FT = 42831 N (4366 Kg~ (9625 Lbf)
TT = 2647 Lbf pul (2991 N m)
W = 22050 N (224771 Kgf 494496 Lbf)
t + L Fy =0
+ scr L MR1 =0 0115 FT - 007W + 014 R2 = 0
R2 = -0115 (m) 42831 (N) + 007 m 22050 (N) 014 (m)
R2 = 1067317 N -1 R1 = 1180514 N (con W hacia arriba)
covauto 72
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
F (N)
o 115 007
428 31 hJ L-shy ________----
o
FIGURA 6
M (Nm)
---------~ o
4926 ljm
FIGURA 7
In
d= 322 [ [ Il((74712N-mJJ-+(2991N-mJJ-)shy
JT 331x106
[ N mshy ]
d = oo4m 157 pul
d =2 pul
6 Fuerzas ejercidas por el eje portadientes R =22050 N
207 Ya f----~-----=t
t rFIGURA 8
RXY2 = 22050 N
i + L Fy = 0 Ro + RB = 22050 N
+ scr L Mo =0 207 RB - 207 (m) 22050 (N) = 0
covauto 73
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
I
Rs 22050 N RD = 0
7 Calculo del diametro del eje central del agitador
5 207I -Imiddot
cj J j Fr
FIGURA9-A
I 14
M (Wm) I 248
---========= Ilgt1 ~-------f
3869
FIGURA 9-8
N = 20 Acero AISI 1020 Laminado simple Sy =331 MPA Fr = 42831 N -t Rxy 44100 N -tR2 = 1657 N R1 = 1657 N
d = [32N (M 2 + T2Y2]113 rcSy
covauto 74
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
I
13
322 11d = laquo39)- + (2991)-) shy
TC 331XI06
[ ~]m
oolm I d = 25 pul d = 10pul
8 Selecci6n de los rodamientos del eje central del agitador (metodo SKF)
R1=1180514N R2 = 1067317 N
R1 = Fr =11806 N W = Fo 1962 N
Transmision por correa trapezoidal f 25
n = 1000 RPM duracion 20000 hr
Carga equivalente P = XFr + YFo (segun SKF) Se escoge un rodamiento conico
Fol Fr = 20 Kg 111806 Kg Fol Fr = 002 lt 022 = e
x= 1 Y = 0 (segun tabla 1 SKF) P Fr = 120347 Kgf
Se puede escoger entre las series 30 -) 32 con un diametro de 508 mm y dos placas de proteccion
Duracion nominal L =60nLhl 1000000
n = 1000 RPM Lh = 20000 hr
L = 60 100020000 1 1000000 L = 1200 (millones de revoluciones)
LllC 1P = p p = 1013 (rodamiento conico)
C 1P = 84 (segun tabla 3 SKF) C = 84P = 84120347 Kgf C = 1010915 Kgf
Se escoge rodamiento 32311 conico pag 140 SKF
9 Selecci6n de los rodamientos del eje del motor y de la base del eje central
Fo = 20 N Fr = 20 N contacto directo 10
covauto 75
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
n = 1000 RPM duraci6n 20000 hr
Fol Fr =20 N I 20 N --7 Fol Fr = 1 gt e = 082 serie 31305 - 31318
x=04 Y =073 P =0420 + 07320 P =226 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p =3 (rodamiento de bolas)
C = 106226 = 24016 Kgf
Se escoge rodamiento rigido de bolas SKF 6213-2Z Para rodamiento y chumacera SKF SY65TF
10 Selecci6n de rodamientos del eje portadientes
Fr = 22050 N (224771 Kgf) n = 1000 RPM
Fo =4905 N(5 Kgf) Lh =20000 hr
Fol Fr = 0002 lt 022 x= 1
P = Fr = 224771 Kgf
L = 1200 (millones de revoluciones) p = 1013 (rodamiento c6nico) C = 84P = 84224771 Kgf C = 18881 Kgf
Se escoge rodamiento c6nico SKF 6013-2Z D = 150 mm d = 70 mm
11 Selecci6n rodamientos de la base del sistema estructural
Fr = 1000 N (102 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 2943 N (300 Kgf) Lh =20000 hr d =55 mm
Fol Fr gt e X = 1 Y=4 P = 102 + 4300 P =1302 Kgf
L =60100200001000000 L = 120 (millones de revoluciones)
C I P =120310 C I P =42 C =421302 = 547476 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
D = 90 mm d = 55 mm
covauto 76
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
-12 Selecci6n rodamientos de las lIantas
Fr == 2943 N (300 Kgf) n = 100 RPM
Fo = 490 N (50 Kgf) Lh =20000 hr d == 50 mm
Fo Fr 017 lt 022 = e X==1 Y=1
P = Fr == 300 Kgf
L == 60100200001000000 L == 120 (millones de revouciones)
1203110C P == C P == 42 C =42300 == 1262 Kgf
Rodamiento de una hilera de rodillos c6nicos SKF 332100
covauto 77
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ANEXO 3 Materiales utilizados para la construcci6n del COV AUTO
CONCEPTO I UN
I CANTIDADSISTEMA I ELEMENTO I MATERIAL
1 ESTRUCTURAL Angulo 21214 mHierro - estructura horizontal 44
Angulo 21214 Hierro - estructura vertical 10 m
I Angulo 11218 96 m IHierro estructura amarre
Angulo 11218 Hierro - puertas m6 i
Angulo 11218 Hierro - amarre (pequenos) 240 m
Angulo 2316 75 mHierro amarre esquinas
I
impactadores Angulo 11214
Angulo 2316 Hierro sostenedor 82 m
m IHierro - estructura superior 12
m expandida Tubo
(33551 ) Lamina Acero IMT 20
180 m 4tubos in cp superior galvanizado Tubo 230 m 4tubos34 in cp superior galvanizado Tubo Schedule 115 m 4tubos 80 Angulo 412
4 in cp aristas
Hierro cm50
Angulo 14 2 in Hierro 240 M
mlt(41)Platina 14 Acero inoxidable
mAcero 6IEje 3 in cp
mAcero 150Eje 2 in cp
160 mTubo 4 in cp IAcero
Rodamientos C6nicos 4
4 mEje 112 in 6
Lamina calibre 2 16
I Lamina calibre 1 18 Lamina Acero inoxidable 2
Llanta Rin 18 4
Miginox 308 1 kg calibre 035 Pintura a base
Soldadura
Its de aceite
covauto 78
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
POTENCIA Motor Perkins 40 1 HP
~ COMBUSTIBLE Tanque 55 galones y tuberfa de conduccion Angulo 11218 Hierro 6 m
4 HIDRAULICO 1010 hidaulico 2
e 100 1 s de aceite
Visor de nivel y de 1 temperatura del aceite Filtro de aire 1 triseptor 934330 Filtro de succion 1
Bomba 1
Acople y campana 1 de alineacion Valvula de 1 seguridad Manometro y 1 aisladora Filtro de retorno 1
Valvula de control 2 flujo compensado Valvula 42 de 2
bull
12con retencion mecanica Fluj6metro Medland 2 con salida analoga Transductor de 2 presion con salida analoga Tacometro con 2 indicacion digital
5 CAPTURA DE Tornillos 38112 40 IGRANOS
Angulo 2316 Hierro - base 30 m
Tubo 1112 in ~ 2 m
Tubo 114 in ~ 2 m
Tubo PVC 6 in ~ Paletas 6m 3 tubos
Tornillos 31238 Acero inoxidable 42
Tornillos 38112 Acero inoxidable 20
Tornillos 318112 Acero inoxidable 20
covauto 79
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ITEM CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
5 CAPTURA GRANOS Tornillos 5162 Acero galvanizado 42
Lamina calibre 18 (21 ) m
6 VIBRACION bull Rodamientos Rigidos de bolas 16
Rodamientos Bridados 2 in 2
Eje 2 in 3 m
Eje 212 in 3 m
Pinones para Bufin 60 B27 4
Pinones sencillos 602B27 2
Bufin 8-50 mm 4
Bufin 0- 2 14 2
Lubricadores 4
Cadena est andar 48 m Ndeg60 Uniones acotadas 4
Lamina Acero inoxidable (21) ETornillos )4 2 in Acero inoxidable 80
Eje3A 10 m
Varilla 38 3 m
Tornillos 381 in 50
Tornillos 381 in 56
Tornillos 381 in 48
Lamina 35 mm Teflon (21 ) m
Lamina 19 mm Bronce (21 ) m
7 ENGANCHE Lamina calibre 14 (21 ) m
8 AGITADORES Teflon 25 mm (31 ) m
Tornillos )4112 120
Tubo 4 in Acero inoxidable 280 m
Lamina calibre 18 (31 ) m
Remaches 1000
Varillas macana 800
covauto 80
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
covauto 81
ITEM I CONCEPTO UN
SISTEMA ELEMENTO MATERIAL CANTIDAD
8 AGITADORES Varillas plastico 800
Varillas fibra de 800 vidrio
19 TELEMETRICO Acelerometros 6
Interfaz mecanica 2
UIP 1
Radios 2
Receptor 1
Software de 1 Adquisicion Software de 1 comunicacion Baterfa 1
Caja de conexiones 1
Celda de carga 1
10 TRACCION Tractor KUBOTA 1
~CUBIERTA Carpa 1
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