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

5 BIBLIOGRAFIA

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covauto 53

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 53

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 53

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

5 BIBLIOGRAFIA

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covauto 53

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 53

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 53

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 53

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 53

(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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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 53

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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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

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 53

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

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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 52

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covauto 53

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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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

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 51

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covauto 53

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

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5 BIBLIOGRAFIA

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covauto 53

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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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

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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

ADRIAN PA FRIDLEY RB Dynamic design criteria for inertia type shaker Transactions of the ASAE 8(4)12-14 1965

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covauto 51

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covauto 53

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 52

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SARTORI S BASTOS MV TANGOAH FAVA JFM Derri9adora de cafe montada em trator cafeeiro 10deg Congresso Brasileiro de Pesquisas Cafeeiras JACTO 1983

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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

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

ADRIAN PA FRIDLEY RB Dynamic design criteria for inertia type shaker Transactions of the ASAE 8(4)12-14 1965

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CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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covauto 53

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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ARCILA PJ Productividad potencial del cafeto en Colombia Centro Nacional de Investigaciones de Cafe Cenicafe 50 anos de CENICAFE 1938-1988 Conferencias conmemorativas Chinchina Cenicafe 1990 p 105-119

ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

CARGILL B F BOOSTER D F Vibrational removal techniques High-density applications In Principles and Practices for harvesting and handling fruits or nuts OBrien M Westport AVI Publishing Co Inc 1983 189-219p

covauto 51

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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

CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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MESTRE M A OSPINA OHF Estabilizacion de la produccion en las fincas cafeteras Chinchina Cenicafe 19944p (Avances Tecnicos Cenicafe No200)

covauto 52

MONROE GE WANG KJ Systems for mechanically harvesting coffee Transactions of the ASAE 11 (3) 270-278 1968

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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

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

ADRIAN PA FRIDLEY RB Dynamic design criteria for inertia type shaker Transactions of the ASAE 8(4)12-14 1965

ALLHOUSE G W MORROW C T Over the row harvester for dwarf fruit trees Transactions of the ASAE 15(6) 1038-1043 1972

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ALVAREZ T E Estudio de las propiedades fisico-mecanicas del sistema frutoshypedunculo del cafe variedad Colombia Medellin Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Agropecuarias 1998 11 Op (Tesis Ingeniera Agricola)

ARCILA PJ Productividad potencial del cafeto en Colombia Centro Nacional de Investigaciones de Cafe Cenicafe 50 anos de CENICAFE 1938-1988 Conferencias conmemorativas Chinchina Cenicafe 1990 p 105-119

ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

CARGILL B F BOOSTER D F Vibrational removal techniques High-density applications In Principles and Practices for harvesting and handling fruits or nuts OBrien M Westport AVI Publishing Co Inc 1983 189-219p

covauto 51

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)

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CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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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

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covauto 52

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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

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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

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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ALVAREZ T E Estudio de las propiedades fisico-mecanicas del sistema frutoshypedunculo del cafe variedad Colombia Medellin Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Agropecuarias 1998 11 Op (Tesis Ingeniera Agricola)

ARCILA PJ Productividad potencial del cafeto en Colombia Centro Nacional de Investigaciones de Cafe Cenicafe 50 anos de CENICAFE 1938-1988 Conferencias conmemorativas Chinchina Cenicafe 1990 p 105-119

ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

CARGILL B F BOOSTER D F Vibrational removal techniques High-density applications In Principles and Practices for harvesting and handling fruits or nuts OBrien M Westport AVI Publishing Co Inc 1983 189-219p

covauto 51

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

CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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)

covauto 52

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

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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

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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

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

ADRIAN PA FRIDLEY RB Dynamic design criteria for inertia type shaker Transactions of the ASAE 8(4)12-14 1965

ALLHOUSE G W MORROW C T Over the row harvester for dwarf fruit trees Transactions of the ASAE 15(6) 1038-1043 1972

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BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

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covauto 51

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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

CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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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

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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

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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

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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ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

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covauto 51

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)

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covauto 52

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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

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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ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

CARGILL B F BOOSTER D F Vibrational removal techniques High-density applications In Principles and Practices for harvesting and handling fruits or nuts OBrien M Westport AVI Publishing Co Inc 1983 189-219p

covauto 51

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CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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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)

covauto 52

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

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

ADRIAN PA FRIDLEY RB Dynamic design criteria for inertia type shaker Transactions of the ASAE 8(4)12-14 1965

ALLHOUSE G W MORROW C T Over the row harvester for dwarf fruit trees Transactions of the ASAE 15(6) 1038-1043 1972

AL VAR EZ M F Cosecha mecanica de cafe en ladera Experimento I NG-1 01 Chinchina CENICAFE Disciplina de Ingenieria Agricola 65p(lnforme de ano sabatico Universidad Nacional Sede Medellin) 1990

ALVAREZ T E Estudio de las propiedades fisico-mecanicas del sistema frutoshypedunculo del cafe variedad Colombia Medellin Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Agropecuarias 1998 11 Op (Tesis Ingeniera Agricola)

ARCILA PJ Productividad potencial del cafeto en Colombia Centro Nacional de Investigaciones de Cafe Cenicafe 50 anos de CENICAFE 1938-1988 Conferencias conmemorativas Chinchina Cenicafe 1990 p 105-119

ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

ARISTIZABAL I D OLIVEROS T CE ALVAREZ M F Cosecha mecanica del cafe mediate vibraciones multidireccionales Cenicafe 50(3) 173-182 1999

BERLAGE AG Harvesting apples with straddle-frame trunk shaker Transactions of the ASAE 17(2) 230-232 1974

CABALLERO R A BALDION RJV Proyecto caracterizaci6n agroecol6gica de la zona cafetera colombiana ecotopos cafeteros Santafe de Bogota FEDERECAFE 1993 84p (Avances de resultados)

CARGILL B F BOOSTER D F Vibrational removal techniques High-density applications In Principles and Practices for harvesting and handling fruits or nuts OBrien M Westport AVI Publishing Co Inc 1983 189-219p

covauto 51

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

CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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covauto 52

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ARCILA P J CHAVES C B Desarrollo foliar del cafeto en tres densidades de siembra Cenicafe 46(1) 5-20 1995

ARISTIZABAL I D Estudio del efecto de la vibraci6n del arbol de cafe en la selectividad de la cosecha Chinchina Cenicafe1 998 46p

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FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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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

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covauto 52

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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

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covauto 53

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CLAUDE B Recolte mecanique des fruits Possibilites dapplication au cafeier The Cafe Cacao 20(4) 310-319 1976

CRISOSTO CH NAGAO AA Evaluation of fruit removal force of coffe cultivars HortScience 26(2) 210 1991

FEDERACION NACIONAL DE CAFETEROS DE COLOMBIA DERECAFE BOGOTA COLOMBIA Manual del cafetero colombiano 4ed Bogota FEDERECAFE 1979 209p

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

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covauto 52

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covauto 53

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SHELLENBERGER FA MYRES AL MONROEGE Hand-carried coffeshyharvesting equipment Transactions of the ASAE 12(6) 763-7651969

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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

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covauto 53

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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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Untitled
• Untitled2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14

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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• Untitled2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14

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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• Untitled2
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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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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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