verDoc

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO 
XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA AGRÍCOLA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MEMORIAS DEL CONGRESO 2008 
La Ingeniería Agrícola – 
Motor del Desarrollo 
de la Agricultura Mexicana 
 
Raúl Almengor S, Eugenio Romantchik K, Omar Orozco S, Luciano Pérez S. 
(Compiladores) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Universidad Autónoma Chapingo 
Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola 
Asociación Mexicana de Ingenieros Agrícolas, A.C. 
 
 
 
 
ISBN 978-607-12-0009-9 
 
MÉXICO Septiembre 2008 
 
 
 
 
DIRECTORIO 
 
 
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO 
Dr. Aureliano Peña Lomelí
Rector
Dr. Marcos Portillo Vázquez
Director General Académico
Dr. Héctor Lozoya Saldaña
Director General de Investigación y Posgrado
Dr. Jesús Ma. Garza López
Director General de Administración 
M. C. Ignacio Miranda Velázquez
Director General de Patronato Universitario
M. I. Martín Soto Escobar
Director General de Difusión Cultural y Servicio
Lic. Fabiola García Hernández
Jefa del Departamento de Publicaciones 
 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AGRÍCOLA 
Dr. Carlos Alberto Villaseñor Perea 
Director 
Dr. © J. Guadalupe Gaytán Ruelas.
 Subdirector Académico 
Dr. Luciano Pérez Sobrevilla 
Subdirector de Investigación 
Ing. Manuel A. García de la Rosa
Subdirector de Administración 
Dr. Ramón Arteaga Ramírez 
 Coordinador de Posgrado IAUIA 
 
ASOCIACIÓN MEXICANA DE INGENIEROS AGRÍCOLAS, A.C. 
M. C. Blanca Elizabeth de la Peña Casas 
 Presidente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Raúl Almengor S, Eugenio Romantchik K, Omar Orozco S, Luciano Pérez S. 
(Compiladores) 
 
 
 
 
La Ingeniería Agrícola – Motor del 
Desarrollo de la Agricultura Mexicana 
 
 
Publicado en Septiembre de 2008 
 
 
ISBN 978-607-12-0009-9 
 
D. R. © Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola 
Universidad Autónoma Chapingo 
Km. 38.5, Carretera México-Texcoco 
C.P. 56230, Chapingo, Estado de México 
Tel. Fax (01 595) 95 2 15 00 exts. 5142 y 5306 
Publicaciones@correo.chapingo.mx 
 
Impreso en México
 
LA VERACIDAD Y CONTENIDO DE LA INFORMACIÓN AQUÍ PRESENTADA ES 
RESPONSABILIDAD EXCLUSIVA DE LOS AUTORES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Presentación 
La aplicación de las ciencias y los principios de la ingeniería a los sistemas biológicos para mejorar 
los niveles de la producción rural constituye el campo de la Ingeniería Agrícola. En esta obra se 
presentan resultados de distintas investigaciones de especialistas en el tema de la Ingeniería Agrícola 
como parte de una estrategia alternativa de desarrollo de la agricultura mexicana. 
Los trabajos integrados en siete temáticas de este CD están relacionados con diferentes aspectos de 
Ingeniería Agrícola: 
Mecanización Agrícola, 
Manejo de Suelo y Agua, 
Biosistemas, Bioenergéticos y Medio Ambiente, 
Diseño y Construcciones Agropecuarias, 
Procesos Postcosecha, 
Informática y Automatización Agrícola y 
Ciencias Básicas y Pedagógicas. 
Los objetivos principales de publicar este CD es mostrar los últimos trabajos de los investigadores, 
docentes, técnicos productores, funcionarios y otras personas interesadas en el desarrollo de la 
Ingeniería Agrícola para dar conocer el estado actual de esta área del conocimiento en México así 
como intercambiar experiencias en diferentes aspectos de Ingeniería Agrícola y promover la 
vinculación entre los sectores Académico, Productivos y Gubernamental para impulsar la Ingeniería 
Agrícola en México. 
El CD será muy interesante para los estudiantes de licenciatura y de posgrado de diferentes 
especialidades ya que pueden encontrar las soluciones de los problemas que se presentan en las 
diferentes esferas de actuación de las carreras de Ingeniería Agrícola. 
Asimismo, es importante señalar que ninguna de las instituciones involucradas en la publicación de 
este CD, de manera individual o grupal, certifican o avalan la efectividad de los productos, ni de los 
accesorios que se mencionan, por nombre común o marca comercial, como tampoco respalda o 
certifica la validez de los experimentos y resultados que se obtuvieron en estos. 
 
Los Compiladores 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
� 362
PROTOTIPO DE MÁQUINA PARA LA COSECHA DE CAÑA ENTERA, 
VERDE O QUEMADA* 
Escamilla-Martínez, A.1, A.; Eduardo Guzmán M.E.2; Vento L. S.3 
1CIATEQ A.C. Centro de Tecnología Avanzada, 76246 El Marques, Qro., Méx. 
e-mail: aguesc@ciateq.mx 
2Instituto Tecnológico de Pachuca, Facultad de Ing. Mecánica 
3LOREN S.A. 
 
RESUMEN 
Se presenta el arreglo general, pruebas y propuestas de mejora de un prototipo 
de máquina tipo soldado para la cosecha de caña de azúcar, la cual despunta, 
corta los tallos por su base y los traslada en forma parada hasta un depósito 
longitudinal en la parte trasera de la máquina; los tallos almacenados 
temporalmente en el depósito se descargan en forma transversal a los surcos 
para su posterior alza mecánica con alzadoras-apiladoras. El prototipo 
inicialmente tiene una potencia instalada de 40 hp, distribuida en forma 
hidráulica al sistema de tracción, al sistema de corte de base de un disco, al 
disco despuntador, al sistema de sujeción y transporte de tallos, así como a los 
sistemas auxiliares de levante de despuntado, giro y volteo de depósito. El 
prototipo actual probado en campos cañeros de Tambaca, S.LP., tiene una 
capacidad real de 7.63 ton/hr en caña quemada, con velocidad de avance de 5 
km/hr y rendimiento de parcela de 30 ton/ha; las modificaciones sugeridas 
indican que la máquina deberá cortar 30 ton/hr de caña verde en campos 
cañeros con rendimientos superiores a 60 ton/ha, al adicionarle sistemas 
mecánicos para el desprendimiento de hojas, que asegurarían una limpieza 
mínima del 80 %, con requerimientos de potencia mínimos de 90 hp. 
 
Palabras Clave: Hojas, puntas, pecíolo, tallos, material extraña 
 
*Este proyecto se realizó gracias auspicio financiero del FONDOS 
SECTORIAL CONACYT-SAGARPA con el número de registro SAGARPA-
2004-C01-55. 
 
 
INTRODUCCIÓN 
La industria azucarera mexicana comprende 59 fábricas de azúcar abastecidas 
por 621,257 has, con rendimiento promedio de 70 ton/ha (Escamilla-
INDICE
� 363
Martínez et al, 2006a). Del total de superficie industrializada, el 9.9% se 
cosecha es en forma manual, el 78.9 % en forma semimecanizada y el 11.2 % 
en forma mecanizada. Los costos de producción indican que México está 2.3 
veces por arriba del costo de países como Colombia, Guatemala, Brasil y 
Australia. La principal diferencia se observa en el costo por tonelada de la 
caña; mientras que en México el precio está de $ 25 a 40 USD en Colombia o 
Brasil va de $13 a 17 USD (Corona-Castuera, et al, 1999). Por otro lado, los 
costos de cosecha manual están en $ 7 a 9 USD/ton; en cosecha 
semimecanizada, de 3 a 5USD/ton y en Mecanizada de 2.4 a 2.7USD/ton. De 
lo anterior es evidentemente el beneficio de cosechar en forma mecanizada. 
 
Al promoverse políticas de no quema de cañaverales, la factibilidad cosechar 
caña verde en forma manual se imposibilita, pero aún más, se agrava debido al 
abandono generalizado del campo mexicano. Por esta razón es que se 
deberían analizar y desarrollar opciones tecnológicas que promuevan la 
cosecha mecánica de caña y adecuadas al campo agrícola mexicano. Los 
beneficios serían muchos, pero las mejores contribuciones se orientan al 
cuidado medioambiental. Por otro lado, los residuos obtenidos de la cosecha 
pueden acopiarse para ser utilizados como combustible para fábricas de 
azúcar, como alimento para el ganado (Escamilla-Martínez et al, 2006b), o para 
la fabricación de biocombustibles como el etanol. En este sentido es que un 
empresario de San Luís Potosí, desarrollo un prototipo de máquina tipo 
soldado, para la cosecha de caña entera, la cual fue analizada por CIATEQ, 
donde se propusieron también algunas mejoras a sus sistemas mecánicos. 
 
 
ANTECEDENTES 
En el año 2004, la empresa LOREN S.A. de San Luís Potosí, solicitó a 
CIATEQ, A.C., apoyo tecnológico para mejorar el desempeño de un prototipo 
de cosechadora de caña. El apoyo se concretó hasta el año 2006, cuando el 
Fondo Sectorial CONACYT-SAGARPA, financió un proyecto para el rediseño 
del prototipo. El equipo previamente se había probado por periodos cortos en 
INDICE
� 364
campos cañeros de los Reyes Michoacán, estimándose una productividad de 
40 ton/h. 
 
Se trata de una cosechadora de caña entera tipo soldado, para el corte de una 
hilera de caña, compacta en dimensiones y de bajo peso. El equipo incluye en 
un disco con cuchillas para el corte de tallos, un disco cortador de cogollos, un 
par de cadenas frontales con hule corrugado, un chasis de una camioneta de 3 
toneladas con sistema de tracción, un motor diesel de 40 hp, una cabina, y un 
contenedor de tallos. La operación de la máquina es como sigue: la máquina ya 
ubicada en la hilera de caña avanza y primero recorta los cogollos con el disco 
despuntador, el cual tiene un motor hidráulico y un brazo articulado a la 
estructura da la máquina; luego en la parte baja se ubican un solo disco de 
corte de tallos de desplazamiento ajustable. Los tallos despuntados y cortados 
en su base, son agarrados en forma vertical por el par de cadenas con bandas 
corrugadas, trasladándolos hasta la parte trasera de la máquina, donde se 
descargan al contenedor longitudinal de tallos. Cuando el contenedor se llena, 
la máquina se detiene y el contenedor gira hasta una posición transversal a la 
dirección de avance, para luego girar sobre su base, inclinarse y descargar por 
gravedad los tallos. 
 
De acuerdo a un levantamiento dimensional realizado (Pérez-Olvera, 2005), el 
prototipo (Ver Figura 1) puede dividirse de manera general en los siguientes 
subsistemas: 
 
- Sistema tractivo. Sistema de transmisión de caja de camión DODGE de 3 
toneladas, conducido por un motor hidráulico, que permite velocidades de 
avance de 0 a 6 km/hr. 
 
- Estructura soporte. Construido de canales “C” de 203.2x50.8 mm (8x2 in), 
sobre los cuales se monta el sistema tractivo y la estructura que soporta a los 
sistemas de corte de tallos, traslado de tallos, fuente de potencia y sistema de 
descarga de bultos. 
INDICE
� 365
 
Figura 1. Prototipo de cosechadora de cañaSistema de corte de puntas. Es un 
sistema articulado simple, en cuyo extremo se monta un disco con 8 cuchillas 
de corte y conducido con motor hidráulico; tiene sistema ajustable de altura con 
cilindro hidráulico. 
 
- Sistema de guiado de tallos. Se compone de una estructura dividida y 
construida de perfiles estructurales PTR, que emboca los tallos de caña del 
surco hacia el sistema de corte y transporte de tallos. 
 
- Sistema de corte de base de tallos. Se compone de un disco con 8 cuchillas 
de corte, el cual, es conducido con un motor hidráulico; el montaje tiene ajuste 
vertical en ambos sentidos, de tal forma que se puede regular la altura de corte 
de base. 
 
- Sistema de transporte de tallos. Se compone de un par de cadenas 
encontradas, con dedos y banda corrugada, que corren a todo lo largo de la 
sección longitudinal de la máquina. Incluyen un sistema de sujeción flexible de 
tallos de forma que la caña se sujeta firmemente entre las cadenas y las 
traslada verticalmente hasta el extremo superior donde se descargan a un 
contenedor. 
 
- Sistema contenedor de tallos. Los tallos se descargan en forma longitudinal 
a un contenedor ubicado en la parte trasera de la máquina; el depósito tiene 
una capacidad de 500 kg, aproximadamente; incluye tres cilindros hidráulicos, 
uno para el giro horizontal del contenedor, otro para voltear al contenedor y otro 
para abrir la compuerta de descarga de tallos. Cuando el depósito completa su 
Corte de 
puntas
Transporte de 
tallos
Corte de puntas 
Corte de base 
de tallos 
Guiado de tallos 
Estructura
soporte 
Contenedor de 
tallos
Fuente de 
potencia
Sistema 
hidráulico 
INDICE
� 366
carga, éste gira 90º en sentido horario, para luego empezar a voltear la caja y 
al mismo tiempo la compuerta de descarga. La caja se inclina sobre 45º, así 
que el bulto de caña desliza quedando depositado en forma transversal a los 
surcos. Este material posteriormente es cargado por una alzadora a los medios 
de transporte. 
 
- Sistema hidráulico. Se compone de una bomba principal a 2500 rpm, que 
conduce a 5 motores hidráulicos y 5 cilindros hidráulicos, esto a través de dos 
bancos de válvulas controlados desde la cabina del operador; incluye un 
depósito de 200 lt de aceite. 
 
- Fuente principal de potencia. Incluye un motor diesel de 4 cilindros, a 1800 
rpm, de 43 hp, cuya salida se conecta a un par de ejes con poleas que 
conducen a dos bombas principales. 
 
 
 MATERIALES Y MÉTODOS 
El desarrollo de este proyecto, requirió de información bibliográfica, material y 
equipo de dibujo, hojas de cálculo y software de elemento finito para la 
validación de resultados. Se utilizó también un prototipo físico de máquina 
cosechadora de caña proporcionado por el usuario del proyecto. Se utiliza el 
método tradicional de diseño como base para el desarrollo de los nuevos 
sistemas, el cual, consta de los siguientes pasos: investigación de 
antecedentes, diseño básico, diseño detallado, Prototipos y pruebas, 
producción; teniendo como objetivo llegar hasta la etapa del diseño detallado. 
Los cálculos de carga estática, deflexión y vida por fatiga, se realizaron con los 
métodos y normas aplicables a cada condición de estado de esfuerzos. 
 
 
RESULTADOS 
a) Pruebas en campo. Previo a las pruebas de campo, el equipo se habilitó 
para operar en vació; se cambio un banco de válvulas direccionales y se reparó 
el disco de corte de tallos y su eje. Se verificó en vació que el sistema no tenia 
INDICE
� 367
la capacidad de operar todos los sistemas al mismo tiempo, por lo que se 
modificó el motor diesel para que pasara de 1800 a 2500 rpm a la salida y se 
aumentara el caudal de aceite de las bombas principales. Las pruebas en 
campo se realizaron en Tambada, SLP, en un campo de caña quemada con 
rendimiento estimado de 30 ton/ha. El equipo operó a una única velocidad de 
avance de 5 km/h, determinándose una capacidad real de cosecha de 7.63 
ton/hr; 34.2% del material cosechado no se colecto en el contenedor y quedo 
esparcido en el campo. Debido a que se trataron de las primeras pruebas 
reales en campo y por ser el primer prototipo, se presentaron diversos tiempos 
muertos, por falta de pericia en la operación para el control del cortador de 
cogollos y el cortador de la base de los tallos. 
 
 
Figura 2. Pruebas del prototipo en campo. 
 
Se verificaron problemas de atoramientos de los sistemas de corte de tallo, 
corte de cogollos y sistema de transporte, por falta de potencia. Se 
presentaron problemas de desgarre del tallo en las zonas de corte inferior, esto 
debido a baja velocidad de giro del cortador de base, Fig. 3. El formado de los 
bultos fue adecuado, Fig. 4, pero más de la mitad de los tallos cosechados no 
fueron despuntados. 
 
INDICE
� 368
 
Figura 3. Desgarre de tallos 
 
Figura 4. Descarga y formado de bultos 
 
Con el propósito de mejorar el funcionamiento del prototipo probado, analizó el 
consumo de potencia, se rediseño el sistema de corte de cogollos, el sistema 
de descarga de tallos y se sugirió un mecanismo para hacer la limpieza de 
tallos durante el transporte al contenedor (Escamilla-Martínez, A., 2007b; 
Guzmán- Zerón, M.E.; 2008). 
 
a) Análisis de potencia. En la Tabla 1 1 se muestras los consumos de 
potencia promedios mínimo y máximo de diversas máquinas cosechadoras-
troceadoras. Se pude notar que al prescindir del sistema de troceo y del 
sistema de extractores, el consumo de potencia se disminuye a la mitad. 
 
Tabla 1. Consumo de potencia en cosechadoras-troceadoras comerciales 
Componente Utilizada, % Mínimo, Hp Máximo,Hp 
Sistema 
tractivo 
22.2 25.8 62.2 
Despuntador 4.1 4.8 11.5 
Cortadores 
de base 
11.2 13 31.4 
 Sistema de 
troceo 
14.9 17.3 41.7 
Sist. Transp. 
tallos 
8.5 9.9 23.8 
Extractores 39.1 45.3 109.5 
TOTAL 100 116 280 
 
INDICE
� 369
Al eliminar el consumo por sistema de troceo y extractores, el consumo mínimo 
es de 61.6 hp y el máximo de 128.9 hp. En máquinas cosechadoras tipo 
soldado, el modelo más representativo es la cosechadora CAMECO de 2 
hileras, que tiene un consumo de 150 hp. De acuerdo a lo anterior se puede 
recomendar que la potencia mínima para instalar debe ser superior a los 61.6 
hp, y que de acuerdo a la disponibilidad de motores diesel, las capacidades 
más comerciales son de 75 y 90 hp, a 2500 rpm. 
 
b) Cortador de puntas. Se sugirió el uso de un mecanismo de cuatro barras 
(1), Fig. 5; la característica principal de este mecanismo es el arreglo de los 
brazos permite que el disco de corte siempre permanezca horizontal, logrando 
el corte de cogollos de manera mas eficiente. Este sistema esta accionado por 
un actuador hidráulico, que permite el ajuste de altura del disco de corte. El 
tambor de corte (2) es impulsado por el motor hidráulico (3) e incluye dos 
discos dentados, permitiendo el corte de las puntas en dos lugares, 
produciendo residuos más pequeños y evitando que se enreden en el motor; 
incluye también la lamina (4) que proporciona el cause a los cogollos cortados 
para que sean expulsados en forma a la cosechadora; incluye también los 
tubulares frontales (5) que guían la caña al cortador. Sus principales 
características son: 
 
- Velocidad: 500 rpm, 
- Potencia 10 HP por motor hidráulico, 
- 16 cuchillas de corte, separadas en 2 grupos, 
- Rango de desplazamiento de corte de 1 m. 
 
c). Mecanismo de descarga de tallos. Se trata de un mecanismo de 
extensión, que se compone de tres tubulares (1), (2) y (3), los cuales están 
unidos al bastidor del contenedor (4), al contenedor (5) y a la tapa del 
contenedor (6), respectivamente; el mecanismo es impulsado por la rotación 
del contenedor (la rotación se impulsa con un actuador hidráulico que no se 
muestra), al rotar con el contenedor el tubular (2) transmite este movimiento al 
tubular (1) mientras desliza contenido en él. La rotación transmitida a (1) 
INDICE
� 370
empuja el tubular (3) provocando la apertura de la puerta del contenedor 
logrando así el objetivo de sincronizar ambos movimientos, impulsados por un 
solo actuador hidráulico. 
 
Figura 5. Cortador de puntas 
 
Figura 6. Mecanismo de descarga 
c). Limpiador de tallos. De acuerdo a estudio realizado por Escamilla et al 
(2006b), sobre el contenido y distribución de hojas y puntas en tallos de caña, 
se diseñó un mecanismos para desprender las hojas secas adheridas al tallo 
molible, localizadas por debajo de la sección de corte del cogollo, Fig. 7. Del 
total de la masa de una planta de caña, tan solo el 5.25 % corresponde a hojas 
secas adheridas a la sección de tallos molible. De este porcentaje, la mayor 
concentración de hojas se localiza a partir de los 70 cm de la base del tallo. 
INDICE
� 371
Para desprender estas hojas se propuso utilizar dos rotores (1) conducidos de 
giro encontrado, provisto de cables (2) de acero flexibles, entre medio de los 
cuales pasan los tallos enteros. Los rotores son de 1.5 m de alto y están 
conducidos por motores hidráulico (3) cada uno de 1.5 hp, a 600 rpm. 
 
Figura 7. Limpiador de tallos 
 
La Figura 8, muestra un esquema del prototipo con la ubicación de los nuevos 
sistemas. 
 
 
Figura 8. Bosquejo de ensamble general 
 
 
CONCLUSIONES 
 
- El concepto de corte de caña entera desarrollado por la empresa LOREN 
S.A., es funcional y tiene altas posibilidades de aplicación al campo cañero 
mexicano. 
 
- La disponibilidad actual de potencia esta por debajo de lo mínimo requerido y 
representa tan solo el 70 % de la requerida. 
 
- Es factible el desprendimiento de hojas de tallos en caña cortada en verde a 
través de rotores provistos de cables flexibles y radiales. 
Cortador de 
puntas
Limpiador 
de tallos. 
Mecanismo 
de descarga 
INDICE
� 372
 
- Es conveniente continuar con el desarrollo de este y otros proyectos 
relacionados, debido a que en corto tiempo, el futuro de las principales 
fuentes de energía estarán centradas en cultivos como la caña de 
azúcar. 
 
 
BIBLIOGRAFÍA 
1. Escamilla-Martínez, A., Arroyo-Jacinto, J., Muñoz-Hernández, M. 2006a. 
Manejo de residuos de la cosecha de caña y su aprovechamiento como 
alimento para rumiantes. Revista ATAM. Vol. 14, No. 4. Asociación de 
Técnicos Azucareros de México. 
 
2. Escamilla-Martínez, A.; Corona-Castuera, J.; Sánchez-Cortes, H. 2006b. 
Contenido y distribución de hojas y puntas en tallos de caña para su 
aplicación al diseño de sistemas mecánicos de limpieza. XIXX Convención 
Nacional de la Asociación de Técnicos Azucareros de México, Boca del Río, 
Ver. 
 
3. Escamilla-Martínez, A. 2007. Innovación de un prototipo de máquina 
mexicana para la cosecha de caña entera, verde y quemada. Reporte técnico 
in extenso, CONACYT-SAGARPA, Proyecto SAGARPA-2004-C0155). 
4. Corona-Castuera, J.; Escamilla-Martínez, A. 1999. Ingeniería para el 
mejoramiento de los sistemas de limpieza de la cosechadora TOFT 6600. 
Memorias IX Congreso Nacional de Ingeniería Agrícola. Universidad 
Autónoma Chapingo, Mex. 
 
5. Guzmán-Zerón, M. E. 2008. Rediseño de una máquina cosechadora de 
caña. Tesis de Licenciatura, Instituto Tecnológico de Pachuca. 
 
6. Pérez-Olvera, L. A. 2006. Rediseño de una máquina cosechadora de caña 
tipo soldado. Tesis de licenciatura, Instituto Tecnológico de Querétaro, Qro. 
Méx. 
 
INDICE
	XXIII Congreso AMIA 2008_Parte1
	XXIII Congreso AMIA 2008(376-386)