EVALUACIÓN EN TRACCIÓN DE LOS TRACTORES T 150 K Y ZETOR CRISTAL 12045, TRABAJANDO EN VERTISOLES CON ALTA HUMEDAD.

AUTORES: Ms. C. Omar González Cueto (omar@agronet.uclv.edu.cu)

Dr. Ing. Miguel Rodríguez Orozco

Lic. Milagros Santos Acosta

CENTRO: Departamento de Mecanización Agropecuaria

Universidad Central de Las Villas (UCLV)

Santa Clara, Cuba

Palabras Claves: Tracción, tractor, traficabilidad, presión sobre el suelo

INTRODUCCION

La dinámica de tracción del tractor caracteriza su cualidad de tránsito sobre una superficie determinada. La humedad y la resistencia a la compresión y al desplazamiento del suelo limitan el desempeño del tractor en igual medida que sus posibilidades energéticas. La condición principal para su trabajo efectivo es la adherencia suficiente con el terreno, la cual depende del peso del tractor y de su distribución por ejes ( tractores 4x2), de la estructura de los propulsores y de las propiedades físicas y mecánicas del suelo (4) (8) (18) (25)

En Cuba se mantiene una gran cantidad de área dedicada a caña de azúcar en vertisuelos con mal drenaje. Rodríguez (1992) determinó que el 60 % de las zafras desarrolladas desde 1976 hasta 1990 se desarrollaron en condiciones de alta humedad, lo cual incrementa el costo de producción de la tonelada de azúcar en un 8 %

Con vistas a resolver el problema que origina la interrupción de la cosecha cuando la humedad de los campos es superior a 47 % (22) (24), la Universidad Central de las Villas y el Ministerio del Azúcar a través del desarrollo de varios Proyectos de Investigación Territorial del CITMA trabajan en función de la introducción de un complejo de máquinas para la cosecha y el transporte de la caña de azúcar en suelos pesados con mal drenaje y alta humedad. La utilización de este equipamiento puede extenderse hacia cualquier condición de suelo ya que disminuye la compactación asociada al paso de las máquinas y los daños mecánicos a la plantación, debido a la utilización de neumáticos de alta flotación y de equipos con una traficabilidad entre surcos adecuada.

En trabajos anteriores se han evaluado las cualidades de tracción de varios tractores como son: JUMZ 6 K/M, MTZ 80, MTZ 80 con doble neumático motor, MTZ 80 con neumático de alta flotación 20.8x38, Fiat New Holland 110-90 y otros, dando como resultado en todos los casos, a excepción del Fiat New 100 -90, que no son capaces de realizar un esfuerzo en la barra superior a 10 kN y por lo tanto no pueden tirar de los remolques, que presentan una resistencia a la tracción mínima de 11 kN (10) (23)

Con el objetivo de evaluar la capacidad de tracción de los tractores Zetor Cristal 12045 y T 150 K y determinar sus posibilidades de arrastrar los remolques cañeros cubanos en las condiciones de suelo descritas se llevó a cabo este trabajo, en áreas del Complejo Agroindustrial Batalla de Santa Clara, en la Provincia de Villa Clara.

MATERIALES Y MÉTODOS.

1.Determinación de las condiciones de campo.

Se caracterizó el campo donde se realizaron los trabajos, incluyó la determinación de la humedad del suelo, el índice de cono, tipo de cubierta vegetal, estado actual del cultivo, relieve, etc.

El número mínimo de observaciones para realizar cada muestreo se determinó según la ecuación (1).

( 1 )

Donde:

: criterio de Student.

, error de la media

, desviación media cuadrática.

El análisis se realizó para un error de la media menor de 5 % y un nivel de significación de 0.10 ( 21).

Determinación del % de humedad del suelo.

Cuando el suelo se humedece pierde parte de su resistencia mecánica y por tanto su capacidad de soportar los esfuerzos normales y tangenciales que producen los sistemas de rodaje de los equipos que transitan sobre el. Se obtuvo a través de la ecuación (2)

( 2 )

: peso de suelo húmedo g.

: peso de suelo seco g.

: Tara del pesa filtro g.

Determinación del índice de cono

El índice de cono caracteriza la dureza y capacidad portante así como el grado de compactación del suelo y es empleado tanto para predicción de tracción como para el estudio del comportamiento del terreno bajo cargas y tráfico de vehículos. Varía con la profundidad del suelo (14) (15) (22) (25) (26), asimismo se ha encontrado una estrecha relación entre el índice de cono y el crecimiento radicular, estudios realizados por diferentes investigadores coinciden en establecer la frontera de desarrollo de las raíces en los 30 – 35 bar (20)

El índice de cono para el horizonte de 0 – 40 cm se obtuvo con el penetrómetro de resorte, a través de la siguiente expresión. Ecuación (3)

( 3 )

: Índice de cono kPa

X: deformación del muelle mm

p: área de la punta mm

K: constante elástica del muelle kg/mm

2. Determinación del pasamiento entre surcos.

El pasamiento entre surcos evalúa las posibilidades de utilización de un determinado conjunto en labores entre hileras sin que se produzcan daños mecánicos a la plantación y se respete la zona de protección del cultivo (4). Torres 1993 determinó una reducción del rendimiento de la caña de azúcar de 10 % en equipamiento de transporte convencional y de alta flotación cuando estos se desplazaban en la zona entre surcos. Sin embargo cuando se desplazaron directamente sobre las cepas el rendimiento disminuyó un 45 % y un 21 % respectivamente.

Se determina según las dimensiones principales del sistema de rodaje y el marco establecido para la plantación, que en Cuba en su generalidad es de 1.6 m.

Se obtuvo a través de las siguientes ecuaciones ( 4, 5 )

Cext= ( 4)

Cint= ( 5)

Cext: zona de protección exterior m

Cint: zona de protección interior m

: distancia entre hileras m

: Número de hileras entre las ruedas del tractor

: ancho de la vía m

: Ancho del neumático m

3. Determinación de la presión media específica sobre el suelo.

El incremento del peso de las unidades de cosecha y transporte tiene un efecto negativo sobre el estado del suelo, aumentando su compactación y la disminución del rendimiento de las cosechas posteriores. Hakason y Reeder ( 1994) mostraron una disminución del rendimiento del 14 % entre cosechas subsiguientes en 7 países de Europa y América del Norte. La utilización de equipamiento de alta flotación provoca una menor afectación en la densidad aparente del suelo y en la resistencia a la penetración que los medios convencionales (5) (6) (27), el efecto de la compactación se verifica en los primeros 0.1 a 0.3 m del suelo (2) (6) (12) (27) (28). Dick (1987) asevera que la densidad aparente del suelo, la distribución del espacio poroso, la permeabilidad del aire y el drenaje son afectados adversamente con presiones sobre el suelo superiores a 200 kPa y que en condiciones húmedas restringen el movimiento del transporte intermedio. Plantea que las presiones sobre el suelo del equipamiento de campo deben ser menores de 200 kPa y que en condiciones muy húmedas debe 100 kPa o menor.

La presión específica de los medios probados se determinó, a través de la ecuación (6) Se obtuvo previamente el área de apoyo con la medición de la zona de contacto del neumático con el suelo, la distribución de peso del tractor y su peso total.

Pme= ( 6 )

: Peso del tractor (kN)

: Área de apoyo (m²)

4. Cualidades de tracción.

4.1. Determinación de la resistencia a la rodadura del tractor.

El esfuerzo que se utiliza en la rodadura del tractor está determinado por la fuerza empleada para vencer las deformaciones mutuas neumático-suelo y la conformación de la huella. Depende de la composición, tipo de suelo y contenido de humedad; el cultivo y su estado; la presión específica media sobre el suelo; características constructivas del neumático y su presión de inflado. La resistencia a la rodadura de una rueda aumenta a medida que lo hace la carga que soporta y a medida que disminuye el índice de cono del suelo. Si la presión de contacto se mantiene constante la resistencia a la rodadura aumenta al hacerlo el ancho del neumático y al disminuir el diámetro de la rueda (1) (3) (4) (25) (30). Una de sus expresiones matemática es, ecuación ( 7 )

( 7 )

Se obtuvo experimentalmente de la siguiente forma: al tractor sujeto a prueba, con su caja de cambio de velocidades en neutral, se le acopló un dinamómetro en su punto de enganche en el puente delantero. Este equipo es remolcado por otro tractor, cuidando que no coincida la huella de ambos, y se realizan las lecturas del instrumento cada 2 m, dejando 20 m desde que se comienza la prueba hasta que se hace la primera medición, para que se estabilice el movimiento del tractor. Luego se repite la prueba en el otro sentido del campo.

4.2. Cálculo del coeficiente de resistencia a la rodadura. Ecuación ( 8)

El coeficiente de resistencia a la rodadura es el cociente entre la fuerza de resistencia a la rodadura y el peso que recae sobre los propulsores.

= ( 8 )

: Pendiente en grados.

: Peso del tractor (kN)

Wismer y Luth ( 1972 ) expresan el coeficiente de resistencia a la rodadura mediante la siguiente ecuación de regresión

=+0.04 ( 9 )

:Número característico de la rueda.

Este número adimensional forma parte esencial de esta teoría de predicción, que es la utilizada por la American Society of Agricultural Engineers.

= ( 10 )

: Ancho del neumático

: Diámetro exterior del neumático

:peso sobre los neumáticos

Métodos empíricos análogos fueron desarrollados por Brixius y Wismer ( 1975 ), Gee-Clough ( 1978 ), Turnage ( 1972 ) y otros. Estos utilizan como base para los cálculos de predicción el índice de cono, las dimensiones del neumático, el peso adherente y otros, mediante el empleo de diversas relaciones empíricas.

4.3 Determinación de la fuerza adherente máxima.

Para la determinación experimental de la fuerza adherente máxima se procedió de la siguiente forma: al tractor sujeto a prueba se le acopló el dinamómetro en su barra de tiro y por el otro extremo se acopló a otro que sirvió de freno. Luego que el primer tractor ha estabilizado su movimiento el segundo actúa como freno hasta que se obtiene el patinaje total, momento en que se realiza la lectura del instrumento.

( 12 )

: Coeficiente de adherencia

: Peso adherente del tractor

4.4 Cálculo del coeficiente de adherencia. Ecuación ( 13 )

( 13 )

4.5 Determinación de la resistencia a la tracción del remolque ( R ).

Su determinación experimental se realizó de forma similar a la determinación de para el tractor.

4.6 Cálculo de las posibilidades de tracción del conjunto.

La fuerza de tracción máxima ( ) para tractores con neumáticos en una superficie horizontal se puede calcular por la ecuación (14)

( 14 )

Partiendo de la ecuación de movimiento, Jrobostov 1973

>+ < .

: Fuerza tangencial máxima por el motor (kN)

Para el caso tratado se cumple que > por lo tanto queda:

+ <

Despejando de ( 14 )

Sustituyendo

La condición para el movimiento del agregado tractor remolque es que

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

1.Determinación de las condiciones de campo.

El área del campo donde se desarrollaron las mediciones estaba libre de obstáculos, sin enyerbamiento, sin pendiente y la plantación tenía una altura de 450 mm, prevista para demoler.

La humedad del suelo en que se desarrollaron las pruebas fue de 76 %. El índice de cono en el horizonte de 0 - 40 cm mostró que la superficie del suelo era extremadamente blanda, dando un resultado de 180 kPa, inferior a los 330 kPa en que clasifica Srivastava (1992) a los suelos blandos.

2. Determinación del pasamiento entre surcos.

La caña de azúcar debe tener una zona de protección de 400 mm a ambos lados de la cepa y ambos tractores cumplen con esta condición. La mayor afectación al suelo durante el pasamiento fue la causada por el patinaje de los propulsores cuando el tractor se atasca, originando una gran afectación mecánica a la plantación y la formación de grandes huellas, que llegaron a medir más de 350 mm de profundidad y 1000 mm de ancho. Estas huellas deforman el cantero y dificultan las labores de cultivo posteriores.

Tabla No. 1 Valores que determinan el pasamiento entre surcos ( m ).

Tractor	B	b	m	n	Cint	Cext
T 150 K	1.85	0.56	1.6	1	0.64	0.39
Zetor Crystal 12045	1.75	0.46	1.6	1	0.64	0.49

3. Presión media específica sobre el suelo:

En el caso de los 2 tractores evaluados la presión específica media es menor de 100 kPa. Los dos dejaban huellas entre 40 – 50 mm, mientras no se producían altos valores de patinaje. El T 150 K tiene un área de apoyo que es superior a la del Zetor en 0.52 m², lo que permite que aun teniendo un peso mayor en 27 kN su presión específica media sea menor.

Tabla No. 2 Valores de la presión específica media obtenidos.

Tractores	Puente Delantero			Puente Motor
Tractores	G	Ap	Pme	Peso	Ap	Pme
T 150 K	47.77	0.60	79.62	32.23	0.60	53.71
Zetor Cristal 12045	23.32	0.266	87.66	29.68	0.4116	72.10

G: peso kN

Ap: Área de apoyo del tren de rodaje m²

Pme: Presión media específica kPa

Determinación de las cualidades de tracción. Tabla No.4

En el caso de la fuerza de resistencia a la rodadura el menor valor lo obtuvo el Zetor Cristal ( 6.91 kN ) debido a que el peso sobre los propulsores es menor y tiene neumáticos de mayor diámetro. Por otra parte el coeficiente de resistencia a la rodadura del tractor T 150 K resultó de 0.10, inferior un 3 % al del Zetor Cristal, motivado porque el primero tiene neumáticos de alta flotación, su área de apoyo es superior en 0.52 m² y las huellas que crea al cruzar estos suelos fueron menores en 10 mm.

Los valores que se obtuvieron de fuerza adherente son bajos debido al alto contenido de humedad e índice de cono característico de suelo muy blando. Estos resultados están muy relacionados con el coeficiente de adherencia el cual tuvo un comportamiento similar, que puede clasificar casi como el de una zona pantanosa. Es de destacar que el nivel de humedad existente era extremadamente alto, por encima del grado de saturación del campo.

Tabla No. 4 Resultados de los ensayos de tracción a los tractores.

Tractor	kN		kN		kN
T 150 K	7.85	0.10	14.0	0.175	6.15
Zetor Cristal 12045	6.91	0.13	9.34	0.17	2.43

Con respecto a la determinación de la resistencia a la tracción de los remolques los mayores valores se obtuvieron con el de 10 t utilizado con el camión Kamaz, debido a la alta presión específica media sobre el suelo, del orden de los 400 kPa en el puente trasero, gran capacidad de carga, y neumáticos de alta presión de inflado. Los resultados fueron muy altos en todos los casos y las causas son similares para los tres

Gráfico No.2 Presiones específicas sobre el suelo ( kPa ) de dos de los remolques evaluados.

Tabla No.5 Resultados de la resistencia a la tracción de los remolques.

Tipo de Remolque	Resistencia a la tracción kN
Remolque RA 6	11
Remolque Toft	13
Remolque 10 t	15

El transporte de la caña de azúcar en condiciones de alta humedad requiere un cambio en los remolques debido a que valores de más de 10 kN de resistencia a la tracción son muy difíciles de vencer por tractores de 14, 20 y hasta los de 30 kN como es el caso de los evaluados aquí. El rediseño de los remolques teniendo en cuenta la utilización de neumáticos de alta flotación, y la utilización de transferencia de peso al tractor llevan a la disminución de la resistencia a la tracción y por lo tanto facilita su uso en estas condiciones de trabajo.

4.7 Cálculo de las posibilidades de tracción del conjunto.

La realización de los ensayos de campo corroboró los resultados de los cálculos que mostraron una fuerza de tracción insuficiente, de 2.43 y 6.15 kN para el Zetor y el T 150 K respectivamente, comparada con la resistencia a la tracción de los remolques, de 11 kN para el de menor resistencia. Ambos tractores son capaces de desplazar los remolques por el campo durante varios metros pero rápidamente caen en patinaje total debido a que no tienen adherencia suficiente con el terreno. El T150 K desarrolló 4.66 kN más que el Zetor, determinado por su mayor peso y mayor área de contacto del neumático con el suelo

Para la realización del transporte en alta humedad es necesario conjugar un tractor de 20 ó 30 kN y un remolque donde ambos posean neumáticos de alta flotación que permita alcanzar valores de presión media específica inferiores a 200 kPa y la resistencia a la tracción de este último debe ser inferior a los 10 kN. Como solución a este problema es muy utilizada la transferencia de peso al tractor, logrando aumentar el peso adherente y disminuir la resistencia a la tracción del remolque. En el caso del T 150 K es posible incrementar el peso adherente en 3 ó 4 toneladas sin afectarse la dirigibilidad y la presión media específica solo alcanzaría 120 kPa.

En el caso de los tractores estudiados ambos están en condiciones de trabajar en alta humedad, son similares en clase traccional al Fiat New Holland 110-90, el cual fue evaluado en investigaciones anteriores y se comportó adecuadamente, pero en un suelo con índice de cono de 420 kPa y 62 % de humedad. El elemento que ha determinado la imposibilidad de trabajar en las condiciones de estas pruebas fue el índice de cono tan bajo de 180 kPa, la humedad de 76 % y la alta resistencia a la tracción de los remolques.

CONCLUSIONES

1. Los tractores evaluados, el T 150 K y el Zetor Cristal solo disponen para tracción de 6.15 y 2.43 kN respectivamente y no son capaces de tirar de los remolques evaluados, en vertisuelos con humedad del 76 % e índice de cono de 180 kPa debido a que sus cualidades de adherencia no son suficientes y a la elevada resistencia a la tracción de los remolques.

2. No es posible la realización del transporte de la caña de azúcar en vertisuelos con índice de cono igual o inferior a 180 kPa, humedad igual o superior a 76 % y remolques con 11 kN o más de resistencia a la tracción.

3. La traficabilidad entre surcos y la presión media específica de ambos tractores es adecuada para el trabajo en alta humedad.

4. Los remolques evaluados tienen una presión media específica y una resistencia a la tracción muy alta, lo que los invalida para el trabajo en alta humedad.

BIBLIOGRAFÍA

Bekker , M. G. Theory of land locomotion. University of Michigan Press. Ann Arbor. 1956.
Braunack M.V., “The extent of soil compaction in sugarcane soils and a technique to minimise it”. Sugar Cane, No. 5, 12-18, 1993.
Brixius, W. W. Traction prediction equations for wheeled vehicles. Report No.109. Project No.9008. Technical Center, Deere & Co, Illinois.
Deacon, H. F .E.: “Mechanization of cane harvesting and transport”, Sugar Cane (U.K.), 3: 12-15, may-june, 1986.
Dick, R. G.: “ Developers aim for optimum high flotation, high capacity vehicle”, BSES Bulletin, 20: 10-15 (Australia) October, 1987
Gee-Clough, D. et al. The empirical prediction of tractor implements field performance. J. Of Terramechanics, 15(2) 81-94
Goering F., C.: “Engine & Tractor Power”, 538, Editorial ASAE, 1992.
González Cueto, O y M, Rodríguez Orozco. : “ Valoración de una tecnología para el transporte de la caña de azúcar en cualquier condición de humedad,” ATAC ( Cuba) 10-14, N0 1, 1998.
González C. O., y M. Rodríguez Orozco, “Comparación de las cualidades de tracción del tractor MTZ 80 con neumáticos traseros dobles y neumático de alta flotación 20.8x38 con el tractor Fiat New Holland 110-90 trabajando en vertisuelos con alta humedad” Metánica 2002. La Habana
González Valdés, R.: “Explotación del parque de maquinarias”, Editorial Félix Varela, 1993.
Gysi, A., G. Klubertanz, L. Vulliet., “Compaction of an Eutric Cambisol under heavy wheel traffic in Switzerland- field date and modeling. Soil and Tillage research, 56,117-129, 2000
Hakason, I., Reeder, R. C., “Subsoil compaction by vehicles with high axle load-extent, persistence and crop response”. Soil Tillage Research, 29, 277-304, 1994
Hernández Alfonso, Pablo M. Y P Linares Anegón. “Modificación de la Teoría de Predicción de Tracción ASAE y su contraste experimental”. Evento Metánica 2001.
Hurney, A. P.: “Better flotation cuts compaction”, Sugar Cane (U.K.) pp 25-27, September-October, 1984.
Iglesias Coronel, C. y A. Puig Levy: “ Bases teóricas para la optimización de algunos parámetros de los medios de transporte para el tiro de la caña de azúcar”, ATAC, ( La Habana ) 4: 3-7, 1984.
Janosi, Z., B. Anamoto. The analytical determination of drawbar pull as a function of slip for tracker vehicles in deformable soils. Procc 1^st Int Conf. Terrain Vehicle System, Turin, 1961
Jróbostor, S.N.: “ Explotación del parque de tractores y máquinas”, Editorial MIR, 1973.
Mc Kibben, E. G., J. B. Davidson Transport wheels for agricultural machines. Agricultural Engineering 21(1) 25-26
Ortiz Cañavate, J., “Ingeniería Técnica Agrícola”. Ediciones Mundi Prensa, Madrid, 1989
Poole H. “Cost effective sugar cane transport”. Sugar Cane No.1, 4-7,1989
Rodríguez Orozco M., Garrido J., González O., Madruga R.: “Influencia de las lluvias sobre las zafras azucareras en los campos con suelos de mal drenaje“. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias (Cuba), 55-59, N0 3, 1999.
Rodríguez Orozco, M. y O. González Cueto. “ Análisis de los medios de transporte para la cosecha mecanizada de la caña de azúcar en suelos de mal drenaje con elevada humedad”, Informe de Investigación, 1992.
Rodríguez Orozco, M.: “ Fundamentación del uso de rodaje por semiesteras en las cosechadoras cubanas de caña de azúcar para trabajar en suelos de mal drenaje con condiciones de elevada humedad,” Tesis de Doctorado, UCLV, 1999.
Sánchez-Girón Renedo, V. “Dinámica y Mecánica de Suelos”. Ediciones Agrotécnicas, Madrid, 426, 1996
Srivastava, A. K., C. E. Goering., R. P. Rorhbach., “Engineering Principles Machine”. Editorial ASAE, 1992
Torres, J. S., S. J. Yang., F. Villegas.,”Soil compaction and cane stool damage by semimechanized harvesting system in the wet season”. Sugar Cane, No.5, 12-16, 1990.
Torres, J. S., y F. Villegas “Differentiation of soil compaction and cane stool damage”. Sugar Cane No.1, 7-11, 1993.
Turnage, G. W. “Tyre selection and performance prediction for off road wheeled vehicles operation”. Procc 4^th Conference International Society Terrain Vehicle Systems. Stockholm, vol 1, 61-82.
Wismer, R. D., H. J. Luth “Off road traction prediction off wheeled vehicles”. J Terramechanics 10(2) 49-62