EFECTO DE LAS CONDICIONES FÍSICAS DEL SUELO Y DE LAS REJAS DE SEMBRADORA DE CEREALES EN EL VALOR DE LA FUERZA QUE PROVOCA SU ROTURA PASIVA

Héctor M. Durán García

Héctor M. Durán García. Ingeniero Agrónomo, Universidad Politécnica de Madrid. Master en diseño de maquinaria agrícola, Universidad de Tzukuba, Japón. Maestría en Ingeniería, Universidad de Guanajuato, México. Ingeniero Agrónomo, especialista en maquinaria agrícola, Universidad Autónoma de Chiapingo, México. Profesor Investigador, Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), México. Dirección: Facultad de Ingeniería (UASLP), Av. Dr. Manuel Nava 8,. Zona Universitaria, C.P. 78290. San Luis Potosí, S.L.P. México. e-mail: hduran@uaslp.mx

Resumen

Utilizando un mini canal de suelo se evaluó el efecto de las condiciones físicas del suelo y de las rejas de sembradoras de cereales (una recta y una curva) en el valor de la fuerza que provoca su rotura pasiva. El ensayo se realizó a 12% de humedad; 1,15% Mg/m3 de densidad; 12cm de profundidad y rejas trabajando a 50° de inclinación. La conclusión fue que la reja curva requiere mayor fuerza de tiro (6,03 N/cm2) que la reja recta (4,72 N/cm2).

Summary

A mini soil bin was used to evaluate the effects of soil physical conditions and the blades of cereal seeders (one straight and one curved) in the value of the force that produces passive failure. The test was made at 12% humidity, 1.15 Mg/m3 density, 12cm depth and rake angle of 50°. It is concluded that the straight blade needs more pulling force (6,03 N/cm2) than the curved one (4,72 N/cm2).

Resumo

Utilizando um mini canal de solo foi avaliado o efeito das condições físicas do solo e das grades de máquina de plantar cereais (uma reta e uma curva) no valor da força que provoca sua rotura passiva. A experiência realizou-se a 12% de umidade; 1,15% Mg/m3 de densidade; 12cm de profundidade e grades trabalhando a 50° de inclinação. A conclusão foi que a grade curva requer maior força de tiro (6,03 N/cm2) que a grade reta (4,72 N/cm2).

PALABRAS CLAVE / Mini Canal de Suelo / Falla de Suelo / Siembra /

Recibido: 03/07/2001. Modificado: 04/09/2001. Aceptado: 06/09/2001

Introducción

El hombre labra la tierra con el objeto de crear condiciones favorables para el crecimiento de las plantas cultivadas. Estas condiciones están dadas por la presencia de un suelo suelto y bien aireado, y por la ausencia de malas hierbas (Durán, 1996). Por laboreo convencional se entiende todo sistema de preparación del lecho de siembra que contemple una labor de inversión del suelo que entierre los residuos de la cosecha precedente. El laboreo de conservación, por el contrario, es aquel sistema de laboreo que pone énfasis en reducir las pérdidas por erosión, eólica e hídrica, del suelo y las pérdidas por escorrentía, percolación y evaporación del agua de lluvia. El término laboreo de conservación es muy amplio y en él se incluyen sistemas que van desde el laboreo mínimo hasta el no laboreo o siembra directa (Barnet, 1989). Bolaños (1989) menciona que en el laboreo de conservación los residuos vegetales no se incorporan completamente al suelo con los aperos, sino que se dejan en la superficie como cubierta de protección. Un efecto común en los sistemas de laboreo de conservación es el aumento de la densidad aparente de los horizontes superficiales del suelo (Lafitte, 1989). La compactación resulta en una porosidad menor en estos horizontes y, por tanto, en una mayor resistencia mecánica al crecimiento radicular. Lafitte (1989) comenta que al aumentar la densidad aparente disminuye la cantidad de poros grandes y los poros medianos y pequeños constituyen una proporción mayor de la porosidad total. En definitiva, se reduce el volumen del suelo en donde tiene lugar el crecimiento libre de las raíces.

Soehne (1956) analizó el comportamiento de diferentes tipos de rejas y desarrolló, partiendo de la hipótesis de que dichas herramientas provocan una rotura del suelo por esfuerzo cortante, una serie de ecuaciones de predicción de la fuerza de tiro requerida por un apero en las que consideró una serie de parámetros que hacían referencia a variables relacionadas con su propio diseño y con las propiedades físicas y mecánicas del suelo. Siemens et al. (1965) compararon los valores medidos de las fuerzas de tiro requeridas por diferentes dientes o púas con los calculados al aplicar los modelos que predicen la fuerza que produce la rotura pasiva del suelo en una pared semi-infinita. Los autores llegaron a la conclusión de que las fuerzas predichas superan a las medidas. Justificaron este hecho admitiendo que el estado de tensiones que soporta el suelo en los ensayos de laboratorio, bien sea el de corte directo o el triaxial, con los que se determinan los parámetros que aparecen en los modelos de predicción, es muy diferente de aquel que crean las púas o los dientes. La rotura del suelo por la acción de un apero de labranza es un problema complejo en el que se suceden una serie de etapas que no se pueden simular ni en un equipo triaxial ni en uno de corte directo. En efecto, Rajaram y Erbach (1991a) señalan que un apero, tras provocar la rotura de una cierta masa de suelo con la que interactúa, avanza a través de la misma encontrándose con suelo que realmente ha colapsado y con otro que lo ha hecho parcialmente.

El empleo de canales de tierra de reducidas dimensiones permite realizar estudios básicos sobre el comportamiento mecánico de los suelos agrícolas. Entre ellos, por ejemplo, están el análisis de la capacidad de tracción de un elemento propulsor de un tractor agrícola, el conocimiento del proceso de compactación del suelo, la observación de la respuesta del suelo a la acción de una herramienta de trabajo de un apero y la evaluación de nuevos prototipos y máquinas (Durán, 2001). Sin embargo, la utilización de los mini-canales no está exento de algunos inconvenientes. Rodríguez (1981) señala que las paredes laterales afectan el trabajo de las herramientas de corte que se utilizan en los ensayos y es imposible conseguir que el suelo exhiba la estructura que posee en condiciones naturales.

Payne (1956) fue el primero en utilizar un mini canal de tierra para estudiar el comportamiento del suelo ante la acción de una herramienta de trabajo. Con ello complementó las observaciones hechas en condiciones de campo sobre la rotura del suelo por un diente recto de un cultivador. Osman (1964) construyó un canal con las paredes laterales de cristal para observar la deformación que ocurre en el suelo antes de que se produzca su rotura al ser empujado por una reja. Con el transcurso del tiempo el empleo de estos canales ha ido ganando aceptación entre los investigadores, al punto que Rajaram y Erbach (1991b), cifran en noventa el número de mini canales existentes en el mundo en diferentes universidades y centros de investigación. El objetivo del presente estudio fue comparar las fuerzas de tiro que requieren dos rejas de siembra utilizadas en las sembradoras a chorrillo.

Materiales y Métodos

Los ensayos se realizaron con tierra procedente del horizonte agrícola, 0-10cm, de un suelo Haploxeralf Vértico de textura franca, cuyas características físicas y químicas aparecen en las Tablas I y II de Durán (2001).

Se utilizó un mini canal de tierra desarrollado y construido por Durán (2000), el cual consta de un cilindro hidráulico y el grupo electro-hidráulico, con capacidad para desplazar las herramientas de trabajo a una velocidad constante entre 0 y 350mm/s. El cajón del mini canal mide 1000x400x 400mm (largo, ancho y profundidad). El marco del recipiente está hecho en perfil angular de acero 30x30mm de lado y 3mm de espesor. Se utilizó material acrílico de 15mm de espesor para cubrir las paredes laterales.

Se utilizaron dos rejas de sembradoras de cereales, una recta y una curva. El ensayo de las mismas se realizó a 12% de humedad; 1,15Mg/m3 de densidad; a 12cm de profundidad y rejas trabajando a 50° de inclinación.

La adquisición de datos se llevó a cabo con el sistema de adquisición de datos SA64 y AD32 - versión 3.0, instalado en una computadora 486SX de 33MHz, trabajando al límite práctico de 20000 muestras/segundo.

Medición de las fuerzas en las rejas y ejecución de los ensayos

Los cajones se llenaron con suelo de textura franca, después de ser tamizado con un cedazo de 6mm de malla. El llenado del cajón se hizo por capas, con el fin de realizar una compactación uniforme, manteniendo la densidad dentro del valor fijado, para lo cual se calculó la cantidad de tierra que debía ocupar un volumen dado del cajón. A continuación se añadió el agua necesaria para alcanzar la humedad requerida y se dejó que toda la tierra consiguiera una humedad uniforme. El cajón se llenó por capas de 18kg de peso que se compactaron con una masa de 10kg.

Cumplido el procedimiento anterior, se midió la resistencia a la penetración y se extrajeron muestras de suelo para determinar su contenido de humedad y su densidad aparente. Los ensayos se realizaron a una profundidad de 12cm, pero el cajón se llenó con suelo a una profundidad de 15cm. Posteriormente se colocó el cajón en el mini laboratorio para llevar a cabo el ensayo. La velocidad a la cual se realizaron todos los ensayos fue de 40mm/s.

Análisis estadístico

Los ensayos se realizaron con tres repeticiones. Por cada ensayo se obtuvieron tres gráficos, uno para la fuerza horizontal (FH), uno para la fuerza vertical (FV) y otro para los momentos. En cada uno de estos gráficos se midieron la fuerza máxima (Fmax), la fuerza mínima (Fmin), la fuerza media (Fmed), la distancia pico-pico (distancia entre dos valores consecutivos), la longitud de onda (considerado como la distancia entre dos valores mínimos consecutivos) y la relación Fmax/Fmin, la cual se ha designado como amplitud (ver Figura 1 en Durán, 2001). En todos los casos, el gráfico original guarda información de 0 a 20 seg, el tiempo que tarda la herramienta en recorrer el cajón. A fin de evitar posibles efectos del cajón sobre la herramienta de corte durante su inserción en el suelo, se descartaron los primeros 5 seg. Se analizaron los valores registrados en la porción central del trayecto realizado por las herramientas, es decir, el intervalo entre 5 y 15 segundos.

Con ayuda del programa MSTAT, versión 4.0, se hicieron los análisis de varianza de los diferentes parámetros obtenidos de los gráficos (FH y FV), según el diseño factorial utilizado con tres repeticiones y dos tipos de reja.

Resultados y Discusión

Al someter un suelo a la rotura por efecto de una herramienta de corte, en nuestro caso dos rejas de sembradora de cereales (una recta y una curva), la componente horizontal y vertical de la fuerza de reacción que el suelo opone al ser trabajado, variaron cíclicamente. En la Tabla I se presentan los resultados del análisis de varianza que indica si son significativos o no las diferencias en los valores obtenidos para los parámetros que caracterizan a las fuerzas medidas en las dos rejas. Los resultados muestran que no existen diferencias significativas en la fuerza horizontal y vertical máxima, ni en la fuerza horizontal media de ambas rejas. La fuerza horizontal y vertical mínima y vertical media son mayores en la reja curva, mientras la longitud de onda, la distancia pico pico, y la amplitud de la fuerza horizontal y vertical son más altos en la reja recta. La fuerza de tiro unitaria o fuerza de tiro/área es mayor en la reja curva. La Figura 1 contiene los valores promedio de la resistencia a la penetración.

Figura 1. Resistencia a la penetración rejas sembradoras con 12% de humedad.

Darmora y Pandey (1995) también utilizaron un mini canal para evaluar el comportamiento de diferentes tipos de rejas abresurcos empleadas en las sembradoras a chorrillo, observando una menor fuerza de tiro en rejas o botas de siembra angostas, en forma de cuña y ángulo de inclinación de 40° o menor. También observaron una mayor compactación en el fondo del surco y menor dispersión de la semilla en rejas o botas de siembra angostas. Fielke (1996) analizó el efecto que tienen el ángulo de corte y el espesor del filo de una reja de ala ancha en la fuerza de tiro requerida por la misma y observó que al variar el espesor del borde de 1 a 10mm, el incremento en la fuerza de tiro varió entre el 40 y el 70%; ésto lo observo también para la fuerza vertical. Adicionalmente reportó un considerable incremento en la fuerza de tiro cuando el suelo se adhirió a la reja. Asimismo se pudo observar que con la reja curva la falla del suelo es más continua y que el suelo que ya falló se acumula mucho más en la reja curva que en la reja recta, por lo que con este trabajo se puede recomendar el diseño o comercialización (si ya existen) de rejas curvo-helicoidales. Finalmente y con la experiencia acumulada se recomienda, para futuros trabajos, el análisis espectral de las fuerzas medidas. Para ello, se tendrá en cuenta que las fuerzas son una variable aleatoria del tiempo. Dicho análisis permite relacionar la variabilidad de la serie temporal con su frecuencia.

Conclusión

Bajo la condición en las que se llevo a cabo el ensayo se concluye que la reja curva requiere mayor fuerza de tiro (6,03N/cm2) que la reja recta (4,72N/cm2). La reja recta sería entonces más recomendable de acuerdo a ese factor.

Como resultado de este trabajo surge como prioridad futura el análisis espectral de las fuerzas medidas en diferentes herramientas de trabajo del suelo y condición del mismo. Para ello se tendría en cuenta que estas fuerzas son una variable aleatoria del tiempo.

REFERENCIAS

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