The use of grain seeders has very ancient origins, since they have been used in Chinese agriculture since remote times (Ortiz-Cañavate, 1989). One of the first sowing machines was that by the Spanish José Locatelli, who in 1636 performed a test in Vienna. This seeder consisted of a spindle with distributor of spoons. Later, in 1701, they began to be introduced and developed in England by the English agronomist and inventor JethroTull(Sayre, 2010).

JethroTull decided to try a system based on a hoe dragged by horses, since he considered that animal traction could speed up the planting process. This process allowed him to unite two phases, the one to remove the soil and the one to deposit the seed. Thus, his planter was born, a tool that allowed, with little human work force, to till and sow extensive fields. In addition, it distributed the seeds regularly thanks to a mechanical barrier that distributed them in rows, and that reduced the need to cultivate the field to eliminate weeds (Sayre, 2010).

With the arrival of the Industrial Revolution in the nineteenth century up to date, several types of seeders have been developed for agriculture with different operating principles and various types of metering mechanisms, which guarantee both, delivery standards and uniform covering of seeds (Garrabou, 1994). In order to achieve efficiency in the sowing work, the machines are provided with auxiliary work organs that can cut the crop residues in the field to avoid jams in the machine, fertilize, dose and regulate the seed delivery, cover the seed and compact the planting line if necessary.

Soil preparation and seed quality (Cabrera et al., 2017; Quevedo et al., 2018) are prime factors to be taken into account, since they define the percentage of plants germination and their vigor, which have a direct impact on crop yields. Finally, planting density, depending on the type of seed to be planted and its sowing frame, establish the population of a field (Alvarez, 2016; Cañadas et al., 2016) and they are parameters that are defined by the dosing mechanism and the distance between rows. The sowing density should be focused on an optimal use of the sowing area, to have adequate yields.

In Cuba, mechanized planting technologies have been used, mainly after the triumph of the Revolution, that seeders of several foreign brands have been acquired, because their manufacture in the country has been limited by the lack of materials and technological limitations. Only some models of seeders of animal and mechanized traction have being developed as part of local solutions to the need of mechanizing sowing to increase productivity.

Taking into account this problem, MINAG oriented the task of reproducing a grain seeder from a manufactured model by an independent producer, in the municipality of Cifuentes, Villa Clara Province, since it was in operation with good results, little complexity, but efficient planting. Also, because the existing planters in the province (Gaspardo of Italian manufacture) presented breakage problems and the acquisition of their components was impossible or difficult. Taking these aspects into account, the objective of this work was to redesign the conventional grain planter "GUAJIRO AM 2010-1-5T".

The redesign of the seeder consisted in the modification of the systems of transmission and dosing, as well as of the cappers and markers, for which the following methodologies were used.

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    -Methodology for Calculating Transmission and Working Bodies
    -Methodology for the Calculation of Markers
    -Methodology for the Analysis of Resistance by MEF
    -Methodology of Experimental Investigations
    -Determination of Test Conditions NC 34-51: 87
    -Carrying Out the Tests of the Grain Seeder NC 34-41: 04
    -Static Test (Laboratory)
    -Trial Test in the Field
    -Methodology for the Economic Effectiveness of the Planter
    » RESULT AND DISCUSSION
    » CONCLUSIONS
    » INTRODUCCIÓN
    » MÉTODOS
    -Metodología para el cálculo de la transmisión y órganos de trabajo
    -Metodología para el cálculo de los marcadores
    -Metodología para el análisis de resistencia por el Método de Elementos Finitos (MEF)
    -Metodología de las investigaciones experimentales
    -Determinación de las condiciones de prueba según NC 34-51:87 (1987)
    -Realización de las pruebas de la sembradora de granos según NC 34-41:04 (2004).
    -Prueba de ensayo estático (laboratorio)
    -Prueba de ensayo en campo
    -Metodologia para la efectividad economica de la sembradora
    » RESULTADO Y DISCUSIÓN
    » CONCLUSIONES

Methodology for the Analysis of Resistance by MEF

To carry out these analyses, both, in the structure and in the work organs of the planter, the use of the finite element method was used (González et al., 2017; Alves, 2018). The methodological procedure used was described by Abreu et al. (2015) and Medina et al (2017). It included the creation of the virtual model (3D),material assignment, meshing, virtual simulation and processing of results.

Virtual Model. A virtual (3D) model of the planter was generated through the Mechanical Desktop 2008 program, and the finite element method was used in the SolidWorks 2010 software for resistance calculations.

Border Conditions. As a second step, the border or edge conditions of the virtual model were defined. In this case, three points of attachment of the planter to the tractor bars were taken as fixed coupling, that is to say, lateral bars and third attachment point. A force of 14 kN was applied directly to the work organs, equivalent to the tractional force of the tractors belonging to the traction class of 14 kN.

Meshing. The discretization of the physical model was made from a free mesh (Figure 1), by using quadratic elements of high order with four Jacobian points, for which a total of 68 782 elements with 134 224 nodes were generated. The calibration of the mesh density was carried out according to the procedure described by González et al.(2014) andBerrios& Franco (2018).

FIGURE 1. 

Virtual model mesh.

Design of the Transmission System. It comprised the use of a transmission of power by chain of step 25.4 mm by its dimensional and constructive characteristics making it suitable for work in humidity and in contact with particles that could drain through the spaces between links. In addition, it shows a longer time of lifespan with respect to other string numbers.

The field wheel of the planter serves as a motor source (Figure 2), where two sprockets were mounted that combine with othertwo mounted to the distributor shaft, giving the possibility of four working positions (Table 1). The field wheels were made of steel with diameter of 0.37 m with spikes on the running surface to reduce slippage; the wheels were mounted on deep groove ball bearings.

Design of Markers. The results obtained indicate that, to comply with the distance regulation between rows, the markers must have regulation from 0.64 to 1.09 m (Figure 3). Markers were added to the new planter, these are adjustable for sowing in frames from 0.45 m to 0.90 m. The dosing system was modified in terms of its components, to achieve greater regulation depending on the types of seeds to be used. Hinge and metal plate cappers were added since those that owned the planter were chain and did not achieve a uniform cover.

Design of the Dosing Organ. This organ is composed of two interchangeable rollers of High-Density Polyethylene (Table 2), with variations in the diameters of the holes according to the dimensions of the seeds.

As an initial step to the manufacture of the rollers, a cylindrical mold was made to obtain the semi-product by injection. Later, machining was used for the conformation of the final geometry (Figure 4a) and the outer diameter and the holes were established. A splitter device was designed exclusively for this case. Finally, the threaded hole was made to fix the roller to the distributor shaft.

A rubber limiter (Figure 4c) was added to the system to remove the excess of seeds on the grooves and decrease mechanical shear damage. The modifications made offer the possibility of achieving greater versatility in the planter, improvement in treatment of the seed by decreasing the percentage of damaged seeds when using plastic as the material for the rollers. In figure 4b, an overview of the assembly of the rollers and other elements of the planter is shown.

Result of the Resistance Analysis. The most loaded areas were the inner arcs of the furrowers and the points of coupling of the planter to the bars of the tractor (Figure 5), reaching stress of 41 329.61 to 74 393.29 kPa, that is to say, the areas where the direct action of external charges and their reactions were received.

However, the analysis of the distribution of the safety factor showed that the structure of the planter was able to withstand the stresses that arise during work by exhibiting a factor value of 2.2 in these areas. This value is considered satisfactory for this type of design (García& Castrillon, 2016).

With respect to the results of the deformations, the maximum values that oscillate between 1.29 to 2.42 mm were shown; these values were recorded in the area of coupling with the tractor. As it is logical, the ends of the furrower organs had the greatest displacements, from 1.05 to 1.41 mm, since they coincide with the zone of direct interaction of the working organ with the ground.

Results of Experimental Investigations. Description of the Work Process. The planter can work on tilled soils with low incidence of crop residues, as it does not have straw mince discs and it can plant on flat terraces or on beds. The furrowers openfurrows of constant depth up to 0.15 m, which can be varied according to the requirement of the crop. Later, the cappers cover the sowing line. In addition, it has regulation possibilities for the distances between rows and between plants, caliber of the seeds to plant and depth of work (Figure 6).

Results of the Tests. The sowing capacity test was carried out taking into account the possibility of regulating the working width depending on the type of crop (Table 3). That evidenced that the planter was able to comply with the dosage of seed in a range of working speeds from 1 to 3.0 m/s, guaranteeing a delivery that ranges from 24.80 to 93.02 kg/ha. Those ranges comply with the regulations and agrotechnical requirements established for planting corn and beans in Cuban agriculture.

The comparison of the performance of this machine with other similar ones, showed that it exhibited indicators of productivity and quality of work (García& Castrillon, 2016; Macedo et al., 2016), similar to the mechanical seeding machines that have been imported in Cuba, for grain sowing, as well as in other countries.

The statistics of the results of evaluating the irregularity of the delivery showed that it complied with the standard requirements for this aspect.

The evaluation of mechanical damage showed that it wasgreater in corn seeds, but it was within the allowable percentage for seeders of mechanical distributor (3%). The distances between seeds were taken directly from the furrow once the plants germinated. They were146 mm for corn and 69 mm for bean.

The average depth in both cases agreed with the desired results, adjusted to the requirement that the depth of sowing must be three times the diameter of the seed. It was 28.1 mm for corn and 16.8 mm for bean. Equally, the distance between rows (ridge) was measured, and it was in both crops 0.90 m, which agreed with the requirements and with the distance set in the furrowers.

Result of the Economic Effect of the Prototype Production. The results of the elaboration of a cost sheet showed that the -5T amounted to 2 997.00 CUP (National Currency), which is equivalent to 1 000 USD according to the established conversion rate (1 USD = 3 CUP) in the Program More Food Cuba (GELMA, 2004).Table 4 shows the analysis of the cost and investment elements included in equation (5).

The determination of expenses of the previous machine evidenced that the average costs of acquisition of the sowing machines imported nowadays for the Cuban agricultural sector were around 5 500.00 USD.

Taking into account these figures and solving the equation (3), the economic effect for each manufactured machine was equal to E =4 500.00 USD, which is interpreted as the economic repercussion of the production of a technology that substitutes the import of another similar one.

El uso de sembradoras de granos tiene orígenes muy antiguos, por ser empleadas en la agricultura China desde tiempos remotos (Ortiz-Cañavate, 1989). Una de las primeras máquinas sembradoras es la del español José Locatelli, quien en 1636 le realizó una prueba en Viena. Esta sembradora consistía en un eje con distribuidor de cucharillas. Posteriormente en 1701 comienzan a ser introducidas y desarrolladas en Inglaterra por el agrónomo e inventor inglés JethroTull(Sayre, 2010).

JethroTull decidió probar un sistema basado en una azada arrastrada por caballos, pues consideraba que la tracción animal podría agilizar la siembra. Este proceso le permitía unir dos fases, la de remover el suelo y la de depositar la semilla. Así nació su sembradora, herramienta que permitía, con poca fuerza de trabajo humano, labrar y sembrar extensos campos. Además, repartía las semillas con regularidad gracias a una barrera mecánica que las distribuía en hileras, y que reducía la necesidad de cultivar el campo para eliminar las malezas (Sayre, 2010).

Con la llegada de la Revolución Industrial en el siglo XIX según Garrabou (1994), hasta la fecha, para la agricultura se han desarrollado varios tipos de sembradoras con distintos principios de funcionamiento y diversos tipos de mecanismos dosificadores, que garantizan tanto las normas de entrega como el tapado uniforme de las semillas. Para lograr la eficiencia en la labor de siembra, se proveen las máquinas con órganos de trabajo auxiliares, que pueden cortar los residuos de cosecha en el campo para evitar atascos en la máquina, fertilizar, dosificar y regular la entrega de semillas, tapar la semilla y compactar la línea de siembra en el caso que fuera necesario.

La preparación del suelo y la calidad de la semilla según Cabrera et al. (2017) yQuevedo et al.(2018), factores primordiales a tener en cuenta, ya que define el porciento de germinación de plantas y el vigor de las mismas, esto repercute directamente en los rendimientos de la cosecha. Por último, la densidad de siembra, en dependencia del tipo de semilla a plantar y su marco de siembra, establecen la población de un campo según Alvarez (2016); Cañadas et al.(2016), parámetros que son definidos por el mecanismo dosificador y la distancia entre hileras. La densidad de siembra debe estar enfocada en un aprovechamiento óptimo del área de siembra, para tener rendimientos adecuados.

En Cuba se han utilizado las tecnologías de siembra mecanizadas, fundamentalmente después del triunfo de la Revolución, adquiriendo sembradoras de varias marcas foráneas, pues la fabricación de sembradoras en Cuba se ha visto limitada, por la carencia de materiales y limitaciones tecnológicas, desarrollándose solo algunos modelos de sembradoras de tracción animal y mecanizada, como parte de soluciones locales a la necesidad de mecanizar la siembra para aumentar la productividad.

Tomando en cuenta esta problemática, el Ministerio de la Agricultura (MINAG) orientó la tarea de reproducir una sembradora de granos a partir de un modelo fabricado por un productor independiente, en el municipio de Cifuentes en la provincia Villa Clara, ya que la misma se encontraba en explotación con buenos resultados, además de ser una sembradora poco compleja pero eficiente, ya que las sembradoras existentes en la provincia (Gaspardo de fabricación italiana) presentan problemas de roturas y no existen o se dificulta la adquisición de los componentes para su repración. Tomando en cuenta estos aspectos, se establece como objetivo del presente trabajo, el rediseño para el perfeccionamiento del diseño de la sembradora de granos convencional “GUAJIRO AM 2010-1-5T”.

El rediseño de la referida sembradora consistió en la modificación del sistema de transmisión, dosificación, tapadores y marcadores, para lo cual se emplearon las siguientes metodologías.

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    -Methodology for Calculating Transmission and Working Bodies
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    -Metodología para el cálculo de la transmisión y órganos de trabajo
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    -Metodología de las investigaciones experimentales
    -Determinación de las condiciones de prueba según NC 34-51:87 (1987)
    -Realización de las pruebas de la sembradora de granos según NC 34-41:04 (2004).
    -Prueba de ensayo estático (laboratorio)
    -Prueba de ensayo en campo
    -Metodologia para la efectividad economica de la sembradora
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    » CONCLUSIONES

Metodología para el análisis de resistencia por el Método de Elementos Finitos (MEF)

Para la realización de estos análisis tanto en la estructura como en los órganos de trabajo de la sembradora se recurrió al empleo del método de los elementos finitos (González et al., 2017; Alves, 2018). El procedimiento metodológico empleado para la utilización de este método fue el descrito por Abreu et al. (2015); Medina et al.(2017), el mismo comprendió: la creación del modelo virtual (3D); C; asignación de materiales; mallado; simulación virtual; y post procesamiento de resultados.

Modelo virtual. Se generó un modelo virtual (3D) de la sembradora por medio del programa informático Mechanical Desktop 2008, y se empleó el método de elementos finitos en el software SolidWorks 2010 para los cálculos de resistencia.

Condiciones de fronteras. Como segundo paso se definen las condiciones de fronteras o de bordes del modelo virtual. En este caso se tomaron como sujeciones fijas tres puntos de enganche o acoplamiento de la sembradora a las barras del tractor, es decir barras laterales y tercer punto de enganche.Directamente en los órganos de trabajo se aplicó una fuerza de 14 kN, equivalente a la fuerza traccional de los tractores pertenecientes a la clase traccional.

Mallado. La discretización del modelo físico se realizó a partir de un mallado libre (Figura 1), mediante el empleo de elementos cuadráticos de alto orden con cuatro puntos jacobianos, para lo cual se generó un total de 68 782 elementos con 134 224 nodos. La calibración de la densidad de la malla se realizó según el procedimiento descrito por González et al. (2014) yBerrios y Franco (2018).

FIGURA 1. 

Mallado del modelo virtual.

Diseño del sistema de transmisión. Comprendió el empleo de una transmisión de potencia por cadena de paso 25,4 mm por sus características dimensionales y constructivas haciéndola idónea para el trabajo en humedad y en contacto con partículas que podrían escurrirse por los espacios de los eslabones, además muestra un tiempo mayor de vida útil con respecto a otras numeraciones de cadenas.

La rueda de campo de la sembradora sirve como fuente motora (Figura 2), donde se montaron dossprockets que combinan con otros dos montados al eje distribuidor, dando posibilidad de cuatro posiciones de trabajo, (Tabla 1) Las ruedas de campo son de acero con diámetro de 0,37 m con púas en la superficie de rodadura para disminuir el resbalamiento, las ruedas están montadas en rodamientos rígidos de bolas.

Diseño de los marcadores. Los resultados obtenidos indican que los marcadores para cumplir con las regulaciones de distancia entre hileras deben tener regulación desde 0,64 a 1,09 m (Figura 3). Se agregaron marcadores a la nueva sembradora, estos son regulables para siembras en marcos desde 0,45 m a 0,90 m. Se modificó el sistema dosificador en cuanto a sus componentes, para lograr una mayor regulación en función de los tipos de semillas a utilizar. Se agregaron tapadores de bisagra y placa metálica ya que los que poseía la sembradora eran de cadena y no lograban un tapado uniforme.

Diseño del órgano dosificador. Este órgano está compuesto por dos rodillos intercambiables depolietileno de alta densidad (Tabla 2), con variaciones en los diámetros de los agujeros acorde a las dimensiones de las semillas.

Como paso inicial a la fabricación de los rodillos se elaboró un molde cilíndrico para obtener elsemiproductomediante la inyección. Posteriormenterecurrió al maquinado para la conformación de la geometría final (Figura 4a), estableciendo el diámetro exterior y los agujeros. Para la realización de este último se elaboró un dispositivo divisor destinado exclusivamente para este caso. Finalmente se maquinóel agujero roscado para fijar el rodillo al eje distribuidor.

Se agregó al sistema un limitador de goma (Figura 4c), para eliminar el exceso de semillas sobre las ranuras y disminuir el daño mecánico por cizalladura. Las modificaciones realizadas brindan la posibilidad de lograr una mayor versatilidad en la sembradora, mejora en tratamiento de la semilla al disminuir el porciento semillas dañadas al utilizar como material para los rodillos el plástico. En la Figura 4b, se muestra una vista general del montaje de los rodillos y demás elementos de la sembradora.

Resultado del análisis de Resistencia. Las zonas más cargadas fueron los arcos interiores de los surcadores y los puntos de acoplamiento de la sembradora a las barras del tractor (Figura 5), alcanzando tensiones de 41 329,61 a 74 393,29 kPa, es decir las zonas donde se recibe la acción directa de las cargas externas y sus reacciones.

No obstante, el análisis de la distribución del factor de seguridad mostró que la estructura de la sembradora, es capaz de resistir las tensiones que surgen durante el trabajo exhibiendo un valor de factor de 2,2; en dichas zonas. Este valor se considera satisfactorio para este tipo de diseño (García y Castrillon, 2016).

Con respecto a los resultados de las deformaciones se mostraron los valores máximos que oscilan entre 1,29 a 2,42 mm, estos valores se registran en la zona de anclaje con el tractor. Como es lógico, los extremos de los órganos surcadores presentan los mayores desplazamientos, de 1,05 a 1,41 mm, pues coincide con la zona de interacción directa del órgano de trabajo con el suelo.

Resultados de las investigaciones experimentales. Descripción del proceso de trabajo. La sembradora puede trabajar en suelos labrados con baja incidencia de residuos de cosecha pues no posee discos pica paja, además puede efectuar la siembra en terrazas planas o sobre canteros. Los surcadores van abriendo un surco de profundidad constante hasta 0,15 m, la cual se puede variar según la exigencia del cultivo. Posteriormente los tapadores van cubriendo la línea de siembra. Además, cuenta con posibilidades de regulación para las distancias entre hileras, distancia de narigón, calibre de las semillas a plantar y profundidad de trabajo, (Figura 6).

Resultados de los ensayos. La prueba de capacidad de siembra se realizó teniendo en cuenta la posibilidad de regulación del ancho de trabajo en función del tipo de cultivo (Tabla 3),evidenciando que la misma es capaz de cumplir con la dosificación de semilla en un rango de velocidades de trabajo de 1 a 3,0 km/h, garantizando una entrega que oscila de 24,80 a 93,02 kg/ha, rangos que cumplen con las normativas y exigencias agrotécnicas establecidas para la siembra del maíz y el frijol en la agricultura cubana.

La comparación del desempeño de esta máquina con otras análogas, evidenció que la misma exhibe indicadores de productividad y calidad de los trabajos similares a las sembradoras de distribución mecánica que actualmente se han importado en Cuba, para la siembra de granos, así como en otros países (García y Castrillon, 2016; Macedo et al., 2016).

Los estadígrafos de los resultados de la evaluación de la irregularidad de la entrega evidencian que la misma cumple con los requerimientos en lo referente a este aspecto, estando en función de la norma de siembra panificada.

La evaluación del daño mecánico mostró mayores daños en las semillas de maíz, aunque se cumple con el porciento permisible (3%), para las sembradoras de distribuidor mecánico. Las distancias entre semillas se toman directamente del surco una vez germinadas las plantas, para el maíz se tiene un valor de distancia de 146 mm y 69 mm para el frijol.

La profundidad de siembra promedio en ambos cultivos fue de 0,10 a 0,15 m para el frijol y el maíz respectivamente, además de cumplir con la exigencia de que debe ser tres veces el diámetro de la semilla, las profundidades máximas alcanzadas oscilaron entre 28,1 mm y 16,8 mm para el maíz y el frijol respectivamente.

Igualmente se realizaron mediciones a la distancia entre hileras (camellón) comprobándose en ambos casos la exactitud de distancia requerida en 0,90 m, la cual concuerda con la distancia fijada en los surcadores.

Resultado del efecto económico de la producción del prototipo. Los resultados de la elaboración de una ficha de costos mostraron que los -5T ascienden a los 2 997,00 CUP (Moneda Nacional), los cuales son equivalentes a 1 000 USD según la taza de conversión establecida (1USD=3 CUP) en Programa más alimentos Cuba (GELMA, 2004).

El efecto económico obtenido fue 14 335.97CUP, el cual se interpreta como la repercusión económica de la fabricación de una tecnología que sustituye la importación de otra similar.