Modification of a granular chemical fertilizer spreader for the application of organo-mineral fertilizers

Introduction

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Fertilizing sugarcane with organic and mineral fertilizers contributes to improving soil properties and increasing crop yields. Organic fertilizers promote natural fertility and soil health, while mineral fertilizers meet the crop's immediate and specific nutritional needs. Their use ensures long-term production sustainability by creating an environment conducive to optimal nutrient uptake by the roots. This approach also contributes to improved soil aggregate structure stability, increased water and gas permeability, and enhanced water retention capacity. Formulating these fertilizers from local raw materials and byproducts of various industrial processes allows for reduced production costs, the activation of local supply chains, and improved access for producers (Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.; García-Ramos et al., 2022GARCÍA-RAMOS, C. M.; QUIRÓS-ROQUE, V. A.; ROSALES-MENDOZA, L. E.: "Los residuos generados en la producción de la industria azucarera en los últimos 25 años", Revista iberoamericana de bioeconomía y cambio climático, vol. 8 (16): 79-91, 2022. ISSN: 2410-7980.; Wang et al., 2025WANG, J.; LUO, Z.; LI, J.; LI, J.; XU, M.: "Fertilization decreases microbial CUE via enhancing soil properties and microbial respiration in coal mine reclamation area", Applied Soil Ecology, vol. 211: 106145, 2025. ISSN: 0929-1393.).

Fertilizer spreaders are machines designed for the accurate distribution of fertilizer to crops. The quality of their work depends on technical aspects such as precise dosing and uniform distribution. However, many of these machines have limitations in terms of efficiency and accuracy. This situation highlights the need to develop and evaluate new technologies that optimize both fertilizer use and the sustainability of agricultural systems (Sánchez y González, 2018SÁNCHEZ, J. L.; GONZÁLEZ, R.: Tecnología de Aplicación de Fertilizantes en Agricultura, Ediciones AgroTécnicas, ISBN: 2018.; Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.; Chen et al., 2023CHEN, J.; YANG, J.; LI, X.; WANG, C.; ZHAO, L.; ZHANG, P.;.C. LI: "The Effects of Biochar-Based Organic Fertilizer and Mineral Fertilizer on Soil Quality, Beet Yield, and Sugar Yield", Agronomy, vol. 13 (9), 2023. ISSN: 2073-4395.).

To increase sugarcane yields, it is necessary to adopt technologies that enhance soil productivity, optimize resource use, and introduce precision mechanisms at every stage of the agricultural process. In this regard, innovation in agricultural machinery plays a crucial role, representing one of the most effective ways to achieve more efficient and profitable agriculture (Palacios et al., 2011PALACIOS, O.; MEJÍA, E.; SÁNCHEZ, H.: "La frescura de la caña de azucar", Agrociencia, vol. 45 (17), 2011. ISSN: 2521-9766.; Torres-Sandoval et al., 2023TORRES-SANDOVAL, J.; ROMANTCHIK-KRIUCHKOVA, E.; LÓPEZ-CRUZ, I. L.; LÓPEZ CANTEÑS, G. D. J.: "Sistema mecatrónico para controlar el dosificador de semilla y presión de vacío de una sembradora-fertilizadora", Revista fitotecnia mexicana, vol. 46 (4): 439-449, 2023. ISSN: 0187-7380.).

The use of organo-mineral fertilizers such as Nerea and Agromena has been studied to achieve their efficient incorporation into the soil using fertilizer spreaders (González-Cueto et al., 2025aGONZÁLEZ-CUETO, O.; GARCÍA-VALERA, M.; LÓPEZ-BRAVO, E.; AGUILA-ALCANTARA, E.; PINEDA-RUIZ, E.; ÁLVAREZ-HERNÁNDEZ, U.: "Physical properties of AGROMENAS-G and NEREA fertilizers produced at the Empresa Geominera del Centro", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025a. ISSN: 2071-0054.; González-Cueto et al., 2025bGONZÁLEZ-CUETO, O.; HERNÁNDEZ-SOLARES, A.; LÓPEZ-BRAVO, E.; GONZÁLEZ-NUÑEZ, J. C.; GATO-MARTÍNEZ, I.; CRUZ-DIAZ, M.; GARCÍA-PEDRAZA, L.: "Calibration of fertilizers for application of AGROMENAS-G and NEREA to sugarcane", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025b. ISSN: 2071-0054.). These fertilizers have gained particular importance due to their agronomic benefits, as they combine organic and inorganic components, achieving the gradual release of nutrients and improving the soil's biological properties. However, their efficient application requires equipment with technical characteristics that guarantee a high delivery rate, which is not possible with fertilizer spreaders designed for chemical fertilizers. This study aims to modify the fertilizer delivery system parameters of the TATU-M spreader, based on the need for its use in applying Agromena and Nerea fertilizers.

Materials and Methods

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To characterize the TATU-M fertilizer spreader, the machine belonging to the "George Washington" Agro-Sugar Company in the municipality of Santo Domingo was used (Figure 1). The dimensions of each of its components were measured using a ruler, measuring tape, and vernier caliper. During the process, the hoppers, gearbox guards, working parts, and outlet pipes were disassembled.

Figure 1. TATU-M Fertilizer (a), Tractor Mounting (b).

To determine the transmission ratio at each speed step, the kinematic chain from the hydraulic motor to the conveyor was analyzed. This involved counting the teeth of each gear in the gearbox and developing the kinematic equation based on the general formulation:

i = \frac{Z d r i v i n g}{Z d r i v e n}

(1)

Where:

Z driving: Number of teeth of the driving wheel;

Z driven: Number of teeth of the driven wheel.

The calculation of the hopper capacity to meet the delivery was carried out under the criterion of maintaining the relationship between the fertilizer delivery and the volume of the hopper, thus guaranteeing the original design parameters of the machine, for which the methodologies for the design and evaluation of fertilizer machines were used (Cañavate et al., 1989CAÑAVATE, J. O.; MARTOS, J. L. H.; ALTISENT, M. R.: Las máquinas agrícolas y su aplicación, 488pp., Mundi-Prensa, ISBN: 9788-4711-40852, 1989.; FAO, 1994FAO: Principios y Prácticas de Prueba Y Evaluación de Máquinas Y Equipos Agrícolas (Boletines de Servicios Agrícolas de la FAO), 279pp., Food and Agriculture Organization of the United Nations, ISBN: 9789-2530-34581, 1994.). Measurements were taken of the existing hopper and its relative position with respect to the other components. The following equation was used to calculate the forward speed:

v = \frac{600 ∙ Q}{D ∙ B}

(2)

Where:

v: forward speed (km/h);

Q: fertilizer spreader delivery rate (kg/min);

D: delivery rate (kg/ha);

B: working width (m).

The field capacity of the fertilizer spreaders was determined at the forward speed at which they apply the standard delivery rate, considering a field efficiency of 70%, using the following equation:

W h = 0,1 ∙ v ∙ B ∙ 0,7 = 0,07 v ∙ B

(3)

Where:

Wh: field capacity (ha/h);

v: forward speed (km/h);

B: working width (m).

Results and Discussion

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Characterization of the TATU-M Fertilizer Spreader

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The TATU-M fertilizer spreader (Figure 1a) is a modified version of the original Brazilian-made DCA-1200 fertilizer spreader, manufactured by TATA Marchesan S.A., which was mounted on the frame of the F-350 fertilizer machine. It is used for applying NPK fertilizer to sugarcane crops. The machine transports the fertilizer from the hopper to the bottom of the furrow using an auger conveyor system. The delivery rate is adjusted by changing the conveyor speed. The fertilizer is incorporated into the soil by a chisel plow buried at a depth of 15 cm. The MTZ-80 tractor (Figure 1b) provides the traction. Despite their technological and design differences, the performance of this machine is comparable to the ID-David fertilizer spreader used for foliar applications on various crops. (González-Cueto et al., 2023GONZÁLEZ-CUETO, O.; SALCERIO-SALABERRY, R. A.; SORIANO-ALONSO, E. Y.; MERLÁN-MESA, G.; LÓPEZ-BRAVO, E.; HERRERA-SUÁREZ, M.: "Caracterización de la fertilizadora ID-David para la aplicación mecanizada del abono órgano mineral Agromena-G", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 32 (1), 2023. ISSN: 2071-0074.). Table 1 shows the different construction parameters of the machine, resulting from the measurements taken.

Table 1. TATU-M Parameters

Parameter	Value
Hopper volume	0,35 m³
Number of hoppers	2
Working parts	2
Straw cutting discs	2
Working width	Furrows between 60 and 2.10 m
Fertilization method	Bottom of furrow
Hitch	Three-point hitch
Drive system	Hydraulic system
Length	1,30 m
Width	2,11 m
Height	1,30 m
Weight	380 kg
Power required	30 cv

The different components of the screw conveyor speed switching system that ensure the variation of the delivery standard are shown in Figure 2. The transmission between the hydraulic motor shaft and the input to the gearbox (Figure 2b) is achieved by 25.4 mm double-pitch chains with sprockets Z1=10 and Z2=18, resulting in a reduction gear ratio of i = 0.55. For the hydraulic motor's nominal speed of 500 min^-1, 275 min^-1 is obtained at the gearbox input. Finally, the rotational motion of the screw conveyor (Figure 2c) is delivered by chain sprockets with a slight reduction of i = 0.94.

Figure 2. Hydromotor (a), Gearbox (b) and transmission to the screw conveyor (c).

The kinematic chain (Figure 3a) shows the transmission scheme of the hydraulic motor's rotational motion to the screw conveyor. The hydraulic motor's output shaft connects to the gearbox, which switches the screw conveyor's rotational speed. Using the kinematic equation (Figure 3b), it is possible to calculate different chain wheel combinations based on the fertilizer delivery demand.

Figure 3. Kinematic chain (a) and kinematic equation (b).

Table 2 shows the gearbox output speeds for each wheel combination, which are changed by a cantilever wheel selector mechanism. Of the seven speeds, three function as reduction gears, three as multiplication gears, and one is neutral or direct drive.

Table 2. Gearbox speed steps

	1ra	2da	3ra	4ta	5ta	6ta	7ma
Driving, Z	16	18	20	22	24	26	28
Driven, Z	28	26	24	22	20	18	16
Gear ratio, i	0.57	0.69	0.83	1	1.2	1.4	1.75
Output min^-1	156.7	189.7	228.2	275	330	385	481.2

Dosing System Modification

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With the maximum auger speed of 481.2 min^-1selected, a delivery rate of 19.3 kg/min of Agromena and 13.9 kg/min of Nerea was achieved, according to measurements taken under static conditions. However, the delivery rates for Agromena and Nerea fertilizers are 74.6 and 37.3 kg/min, respectively, to meet the application rates of 4 t/ha and 2 t/ha.

The modifications to increase the fertilizer delivery rate are based on increasing the auger speed according to the application rate for each fertilizer (Table 3). With this objective, the first modification to the input min^-1 of gearbox M-1 is carried out, which consists of swapping the gears, resulting in Z1=18 and Z2=10, thus achieving a multiplication ratio of i = 1.8 and an input rotation speed of 900 min^-1, which increases the maximum speed to 1575 min^-1. As can be seen in Table 3, the desired delivery rate for Nerea fertilizer is achieved for gear change number six; however, the delivery rate for Agromena is not met at any speed setting.

Table 3. Modification of the transmission ratio

	Fertilizer (kg/min)	1ra	2da	3ra	4ta	5ta	6ta	7ma
Actual	Agromena	6.32	7.66	9.22	11.07	13.28	15.99	19.37
Actual	Nerea	4.56	5.53	6.65	7.98	9.58	11.53	13.97
M-1	Agromena	20.50	24.83	29.89	35.87	43.05	51.82	62.78
M-1	Nerea	14.78	17.91	21.56	25.87	31.05	37.37	45.28
M-2	Agromena	29.60	35.86	43.17	51.80	62.16	74.82	90.65
M-2	Nerea	21.35	25.86	31.13	37.36	44.83	53.96	65.38

To increase the output revolutions that meet the requirements for both fertilizers, a further modification of the M-2 transmission ratio is made, aimed at increasing the Rotation Frequency (min^-1) at the gearbox input. This is achieved by recalculating the transmission using the kinematic equation, increasing the number of teeth on the drive gear until the values that satisfy the delivery standards for both fertilizers are obtained. This is achieved with Z1 = 26 and Z2 = 10 and a transmission ratio of i = 2.6. The fertilizer delivery results for M-2 are shown in Table 3. The sixth speed step delivers the standard for Agromena, and the fourth step delivers the standard for Nerea with adequate accuracy. This also ensures the possibility of increasing or decreasing the delivered fertilizer volume in both cases using the remaining speed steps, thus meeting the demands of this type of fertilizer according to results from various authors (González-Cueto et al., 2025bGONZÁLEZ-CUETO, O.; HERNÁNDEZ-SOLARES, A.; LÓPEZ-BRAVO, E.; GONZÁLEZ-NUÑEZ, J. C.; GATO-MARTÍNEZ, I.; CRUZ-DIAZ, M.; GARCÍA-PEDRAZA, L.: "Calibration of fertilizers for application of AGROMENAS-G and NEREA to sugarcane", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025b. ISSN: 2071-0054.; Hamed et al., 2025HAMED, L.; ELGEZERY, M.; ABOU HUSSIEN, E.; FAIYAD, M. N.; EMARA, E.; ABDEL-HAKIM, S.: "Role of nano-mineral fertilizers in sugar beet growth and environmental sustainability in sandy soils", Pedosphere, vol., 2025. ISSN: 1002-0160.).

Determining Hopper Capacity

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Figure 4 shows the original design of the TATU fertilizer spreader's hopper. Each hopper has a loading volume of 0.35 m³. As a result of the increased delivery rate, fertilizer availability decreases, consequently requiring more frequent refills during application. The hopper capacity is calculated to meet the delivery rate based on maintaining the relationship between delivery rate and hopper volume, thus ensuring the machine's original design parameters, as recommended by authors (Cañavate et al., 1989CAÑAVATE, J. O.; MARTOS, J. L. H.; ALTISENT, M. R.: Las máquinas agrícolas y su aplicación, 488pp., Mundi-Prensa, ISBN: 9788-4711-40852, 1989.; Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.).

With the current hopper dimensions, up to 350 kg can be loaded to apply fertilizer with an average density of 1 kg/cm³. Therefore, with the current maximum standard rate of 18 kg/min, the hopper unloading time is 19.4 min. Maintaining an application speed of 7 km/h, a distance of 2250.4 m is covered, representing 22.5 rows in typical 1-hectare fields with a 1.60 m bed spacing. Each hopper fertilizes an area of 0.36 ha, for a total of 0.72 ha per machine.

With the delivery rate increased to 74.6 kg/min for Agromena fertilizer, which also has a density of 1.3 kg/cm³, the hopper can be filled with only 270 kg, which is unloaded in 3.6 min. Achieving a travel distance of 417.6 m, this represents a total area of 0.14 ha. This working capacity affects the machine's main operating parameters, increasing preparation, transport, loading, and field time.

Figure 4. TATU-M fertilizer spreader hopper.

To achieve operational indicators consistent with the machine's original parameters, it is proposed to increase the hopper's load capacity while maintaining a 20-minute unloading time. This represents loading the hopper with 1.5 tons, which implies increasing its volume to 1.1 m³.

However, as a consequence of increasing the total volume to 3 tons, the power required for operation and the pressure exerted on the tractor's rear axle will increase. Similarly, it would be necessary to evaluate the performance of the auger conveyor and the capacity of the chutes to deposit the volume onto the soil, considering an increase in the outlet flow rate, which could increase the pressure inside the chutes.

Conclusions

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The chain wheel exchange dosing mechanism in the TATU-M fertilizer has a transmission ratio between 0.57 and 1.75, which is insufficient to deliver the necessary dose of organo-mineral fertilizers Nerea and Agromena.

The appropriate dosage to apply the delivery standards of Nerea or Agromena fertilizers is achieved by modifying the number of teeth on the hydromotor wheel and their exchange with that of the input shaft of the speed box.

The increase in the loading capacity of the hopper from 0.35 m³ to 1.1 m³ enables adequate field capacity of the machine and maintenance of its operating parameters.

Acknowledgments

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The research presented in this publication was funded by the Office of International Funds Projects Management of the Ministry of Science, Technology and Environment of the Republic of Cuba under code PN3602LH002-087.

References

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CHEN, J.; YANG, J.; LI, X.; WANG, C.; ZHAO, L.; ZHANG, P.;.C. LI: "The Effects of Biochar-Based Organic Fertilizer and Mineral Fertilizer on Soil Quality, Beet Yield, and Sugar Yield", Agronomy, vol. 13 (9), 2023. ISSN: 2073-4395.

FAO: Principios y Prácticas de Prueba Y Evaluación de Máquinas Y Equipos Agrícolas (Boletines de Servicios Agrícolas de la FAO), 279pp., Food and Agriculture Organization of the United Nations, ISBN: 9789-2530-34581, 1994.

GARCÍA-RAMOS, C. M.; QUIRÓS-ROQUE, V. A.; ROSALES-MENDOZA, L. E.: "Los residuos generados en la producción de la industria azucarera en los últimos 25 años", Revista iberoamericana de bioeconomía y cambio climático, vol. 8 (16): 79-91, 2022. ISSN: 2410-7980.

GONZÁLEZ-CUETO, O.; GARCÍA-VALERA, M.; LÓPEZ-BRAVO, E.; AGUILA-ALCANTARA, E.; PINEDA-RUIZ, E.; ÁLVAREZ-HERNÁNDEZ, U.: "Physical properties of AGROMENAS-G and NEREA fertilizers produced at the Empresa Geominera del Centro", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025a. ISSN: 2071-0054.

GONZÁLEZ-CUETO, O.; HERNÁNDEZ-SOLARES, A.; LÓPEZ-BRAVO, E.; GONZÁLEZ-NUÑEZ, J. C.; GATO-MARTÍNEZ, I.; CRUZ-DIAZ, M.; GARCÍA-PEDRAZA, L.: "Calibration of fertilizers for application of AGROMENAS-G and NEREA to sugarcane", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025b. ISSN: 2071-0054.

GONZÁLEZ-CUETO, O.; SALCERIO-SALABERRY, R. A.; SORIANO-ALONSO, E. Y.; MERLÁN-MESA, G.; LÓPEZ-BRAVO, E.; HERRERA-SUÁREZ, M.: "Caracterización de la fertilizadora ID-David para la aplicación mecanizada del abono órgano mineral Agromena-G", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 32 (1), 2023. ISSN: 2071-0074.

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WANG, J.; LUO, Z.; LI, J.; LI, J.; XU, M.: "Fertilization decreases microbial CUE via enhancing soil properties and microbial respiration in coal mine reclamation area", Applied Soil Ecology, vol. 211: 106145, 2025. ISSN: 0929-1393.

Introducción

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La fertilización de la caña de azúcar, empleando fertilizantes orgánicos y minerales, contribuye al mejoramiento de las propiedades del suelo y al incremento de los rendimientos del cultivo. Los fertilizantes de origen orgánico propician la fertilidad natural y la salud del suelo, en tanto los minerales suplen las demandas nutricionales inmediatas y específicas del cultivo. Su empleo garantiza la sostenibilidad de la producción a largo plazo, creando un ambiente propicio para que las raíces aprovechen al máximo los nutrientes. Asimismo, contribuye al mejoramiento de la estabilidad de la estructura de los agregados del suelo, aumenta la permeabilidad hídrica y gaseosa, y la capacidad de retención del agua. Su formulación a partir de materias primas locales y derivados de diferentes procesos industriales, hace posible la disminución de los costos productivos, la activación de cadenas de suministros endógenas y un mejor acceso a los productores (Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.; Wang et al., 2025WANG, J.; LUO, Z.; LI, J.; LI, J.; XU, M.: "Fertilization decreases microbial CUE via enhancing soil properties and microbial respiration in coal mine reclamation area", Applied Soil Ecology, vol. 211: 106145, 2025. ISSN: 0929-1393.).

Las máquinas fertilizadoras son equipos destinados a la correcta distribución del fertilizante en los cultivos. La calidad de su trabajo depende de aspectos técnicos como la precisión en la dosificación y la uniformidad en la distribución. Sin embargo, muchos de estos equipos presentan limitaciones en términos de eficiencia y exactitud. Esta situación resalta la necesidad de desarrollar y evaluar nuevas tecnologías que optimicen tanto el uso de fertilizantes como la sostenibilidad de los sistemas agrícolas (Sánchez y González, 2018SÁNCHEZ, J. L.; GONZÁLEZ, R.: Tecnología de Aplicación de Fertilizantes en Agricultura, Ediciones AgroTécnicas, ISBN: 2018.; Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.; Chen et al., 2023CHEN, J.; YANG, J.; LI, X.; WANG, C.; ZHAO, L.; ZHANG, P.;.C. LI: "The Effects of Biochar-Based Organic Fertilizer and Mineral Fertilizer on Soil Quality, Beet Yield, and Sugar Yield", Agronomy, vol. 13 (9), 2023. ISSN: 2073-4395.).

Para incrementar el rendimiento de la caña de azúcar es necesario la adopción de tecnologías que permitan incrementar la productividad del suelo, optimizar el uso de recursos e introducir mecanismos de precisión en cada etapa del proceso agrícola. En este sentido, la innovación en maquinaria agrícola juega un papel crucial, siendo una de las vías más efectivas para lograr una agricultura más eficiente y rentable (Palacios et al., 2011PALACIOS, O.; MEJÍA, E.; SÁNCHEZ, H.: "La frescura de la caña de azucar", Agrociencia, vol. 45 (17), 2011. ISSN: 2521-9766.; Torres-Sandoval et al., 2023TORRES-SANDOVAL, J.; ROMANTCHIK-KRIUCHKOVA, E.; LÓPEZ-CRUZ, I. L.; LÓPEZ CANTEÑS, G. D. J.: "Sistema mecatrónico para controlar el dosificador de semilla y presión de vacío de una sembradora-fertilizadora", Revista fitotecnia mexicana, vol. 46 (4): 439-449, 2023. ISSN: 0187-7380.).

El uso de los fertilizantes órgano-minerales como la Nerea y Agromena, han sido objeto de estudio para lograr su incorporación eficiente al suelo empleando máquinas fertilizadoras (González-Cueto et al., 2025aGONZÁLEZ-CUETO, O.; GARCÍA-VALERA, M.; LÓPEZ-BRAVO, E.; AGUILA-ALCANTARA, E.; PINEDA-RUIZ, E.; ÁLVAREZ-HERNÁNDEZ, U.: "Physical properties of AGROMENAS-G and NEREA fertilizers produced at the Empresa Geominera del Centro", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025a. ISSN: 2071-0054.; González-Cueto et al., 2025bGONZÁLEZ-CUETO, O.; HERNÁNDEZ-SOLARES, A.; LÓPEZ-BRAVO, E.; GONZÁLEZ-NUÑEZ, J. C.; GATO-MARTÍNEZ, I.; CRUZ-DIAZ, M.; GARCÍA-PEDRAZA, L.: "Calibration of fertilizers for application of AGROMENAS-G and NEREA to sugarcane", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025b. ISSN: 2071-0054.). Estos fertilizantes han cobrado especial relevancia por sus beneficios agronómicos, en tanto combinan componentes orgánicos e inorgánicos logrando la liberación gradual de nutrientes y la mejora de las propiedades biológicas del suelo. No obstante, su aplicación eficiente requiere de equipos con características técnicas que garanticen una alta tasa de entrega, lo que no es posible lograr con el empleo de fertilizadoras diseñadas para la distribución de fertilizantes químicos. El presente trabajo tiene como objetivo modificar los parámetros del sistema de entrega de fertilizante de la fertilizadora TATU-M, a partir de la necesidad de su empleo en la aplicación de los fertilizantes Agromena y Nerea.

Materiales y Métodos

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Para caracterizar la fertilizadora TATU-M se utilizó la máquina perteneciente a la Empresa Agro Azucarera ¨George Washington¨ del municipio de Santo Domingo (Figura 1). Para ello se tomaron las dimensiones de cada uno de sus componentes empleando la regla graduada, cinta métrica y calibrador vernier. Durante el proceso se realizó el desmontaje de las tolvas, las guarderas de la caja de velocidad, los órganos de trabajo y los conductos de salida.

Figura 1. Fertilizadora TATU-M (a), Montaje al tractor (b).

Para la determinación de la relación de transmisión en cada uno de los escalones de velocidad se realizó la cadena cinemática desde el motor hidráulico al transportador, para ello se realizó el conteo de dientes de cada rueda de la caja de recambio y se elaboró la ecuación cinemática a partir de la formulación general:

i = \frac{Z c o n d u c t o r}{Z c o n d u c i d a}

(1)

donde:

Z conductor: Número de dientes de la rueda conductora;

Z conducida: Número de dientes de la rueda conducida.

El cálculo de la capacidad de la tolva para satisfacer la entrega se realizó bajo el criterio de mantener la relación entre la entrega de fertilizante y el volumen de la tolva, garantizando así los parámetros originales de diseño de la máquina, para lo cual se emplearon las metodologías para el diseño y evaluación de máquinas fertilizadoras (Cañavate et al., 1989CAÑAVATE, J. O.; MARTOS, J. L. H.; ALTISENT, M. R.: Las máquinas agrícolas y su aplicación, 488pp., Mundi-Prensa, ISBN: 9788-4711-40852, 1989.; FAO, 1994FAO: Principios y Prácticas de Prueba Y Evaluación de Máquinas Y Equipos Agrícolas (Boletines de Servicios Agrícolas de la FAO), 279pp., Food and Agriculture Organization of the United Nations, ISBN: 9789-2530-34581, 1994.). Se realizaron las mediciones de la tolva actual y su posición relativa respecto a los demás componentes. Para el cálculo de la velocidad de avance se empleó la siguiente ecuación:

v = \frac{600 ∙ Q}{D ∙ B}

(2)

donde:

v: velocidad de avance, km/h;

Q: caudal de entrega de las fertilizadoras (kg/min);

D: dosis de entrega (kg/ha);

B: ancho de trabajo (m).

Se determinó la capacidad de campo de la fertilizadora a la velocidad de avance de aplicación de la norma de entrega, considerando una eficiencia de campo del 70%, mediante la siguiente ecuación:

W h = 0,1 ∙ v ∙ B ∙ 0,7 = 0,07 v ∙ B

(3)

donde:

Wh: capacidad de campo (ha/h);

B: ancho de trabajo (m);

v: velocidad de avance (km/h).

Resultados y Discusión

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Caracterización de la Fertilizadora TATU-M

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La fertilizadora TATU-M (Figura 1a), es resultado de la modificación de la fertilizadora DCA-1200 de fabricación original brasileña por la empresa TATA Marchesan S.A. a la cual se realizó el montaje sobre el bastidor de la máquina fertilizadora F-350. Su empleo se localiza en la actividad de fertilización con químicos NPK en el cultivo de la caña de azúcar. La máquina es responsable de transportar el fertilizante desde la tolva al fondo del surco mediante un sistema de transportador sinfín. La norma de entrega se alcanza con el ajuste del número de revoluciones a que gira el transportador. La incorporación del fertilizante al suelo se realiza por medio de un órgano de cincel enterrado a una profundidad de 15 cm. Como fuente de tracción se utiliza el tractor MTZ-80 (Figura 1b). Las prestaciones de esta máquina son comparables con la fertilizadora ID-David empleada en operaciones foliares para cultivos varios a pesar de sus diferencias tecnológicas y de diseño (González-Cueto et al., 2023GONZÁLEZ-CUETO, O.; SALCERIO-SALABERRY, R. A.; SORIANO-ALONSO, E. Y.; MERLÁN-MESA, G.; LÓPEZ-BRAVO, E.; HERRERA-SUÁREZ, M.: "Caracterización de la fertilizadora ID-David para la aplicación mecanizada del abono órgano mineral Agromena-G", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 32 (1), 2023. ISSN: 2071-0074.). En la tabla 1 se muestran los diferentes parámetros constructivos de la máquina, resultado de las mediciones realizadas.

Tabla 1. Parámetros de la TATU-M

Parámetro	Valor
Volumen tolva	0,35 m³
Numero de tolvas	2
Órganos de trabajo	2
Discos corta paja	2
Ancho de trabajo	Surcos entre 0,60 - 2,10 m
Método de fertilización	Fondo del surco
Enganche	Tres puntos
Movimiento motriz	Sistema hidráulico
Largo	1,30 m
Ancho	2,11 m
Altura	1,30 m
Peso	380 kg
Potencia requerida	30 cv

Los diferentes componentes del sistema de conmutación de las velocidades del transportador sinfín que garantizan la variación de la norma de entrega se muestran en la Figura 2. La transmisión entre el árbol del hidromotor y la entrada a la caja de recambio (Figura 2b) se realiza mediante cadenas de paso doble de 25,4 mm con ruedas Z₁=10 y Z₂ =18 lo que resulta en una relación de transmisión de i = 0,55 de tipo reductor. Para la velocidad nominal del hidromotor es de 500 min^-1, en la entrada de la caja se obtienen 275 min^-1. Finalmente, el movimiento de giro al transportador sinfín (Figura 2c) llega por medio de ruedas para cadenas con una ligera reducción de i = 0,94.

Figura 2. Hidromotor (a), Caja de velocidad (b) y transmisión al transportador sinfín (c)

La cadena cinemática (Figura 3a), muestra el esquema de transmisión del movimiento de giro del hidromotor al transportador sinfín. El eje de salida del hidromotor se conecta a la caja, la cual tiene la capacidad de conmutar la velocidad de giro del transportador sinfín. Mediante la ecuación cinemática (Figura 3b) es posible calcular las diferentes combinaciones de ruedas para cadena según sea la demanda de entrega del fertilizante.

Figura 3. Cadena cinemática (a) y ecuación cinemática (b).

En la tabla 2 se muestran las velocidades de salida de la caja de cambio para cada combinación de ruedas, las cuales se intercambian por un mecanismo seleccionador de rueda voladiza. De las siete velocidades, tres de ellas cumplen la función de reductores, tres de multiplicadores y una neutral o directa.

Tabla 2. Escalones de velocidad de la caja de cambio

	1ra	2da	3ra	4ta	5ta	6ta	7ma
Conductora, Z	16	18	20	22	24	26	28
Conducida, Z	28	26	24	22	20	18	16
Relación de transmisión, i	0,57	0,69	0,83	1	1,2	1,4	1,75
Frecuencia de rotación de salida (min^-1)	156,7	189,7	228,2	275	330	385	481,2

Modificación del sistema de dosificación

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Con la selección de la máxima velocidad de giro de 481,2 min^-1 en el sinfín, se logró una entrega de 19,3 kg/min de Agromena y 13,9 de Nerea según las mediciones realizadas en condiciones estáticas. No obstante, las normas de entrega para los fertilizantes Agromena y Nerea son de 74,6 y 37,3 kg/min para satisfacer la norma de 4 t/ha y 2 t/ha respectivamente.

Las modificaciones para aumentar la entrega del fertilizador se basan en aumentar la velocidad de giro del transportador sinfín en correspondencia con la norma de cada fertilizante (Tabla 3). Con este objetivo se realiza la primera modificación de la frecuencia de rotación (rpm) de entrada de la caja M-1, que consiste en el intercambio de las ruedas quedando Z₁=18 y Z₂ =10 logrando así una relación de multiplicación de i = 1,8 y una velocidad de giro en la entrada de la caja de 900 min^-1 lo cual incrementa la máxima velocidad a 1575 min^-1. Como se puede apreciar en la tabla 3, se logra obtener para el cambio número seis el valor deseado de norma de entrega del fertilizante Nerea, no obstante, no se logra en ningún escalón de velocidad satisfacer la entrega del Agromena.

Tabla 3. Modificación de la relación de transmisión

	Fertilizante (kg/min)	1ra	2da	3ra	4ta	5ta	6ta	7ma
Actual	Agromena	6,32	7,66	9,22	11,07	13,28	15,99	19,37
Actual	Nerea	4,56	5,53	6,65	7,98	9,58	11,53	13,97
M-1	Agromena	20,50	24,83	29,89	35,87	43,05	51,82	62,78
M-1	Nerea	14,78	17,91	21,56	25,87	31,05	37,37	45,28
M-2	Agromena	29,60	35,86	43,17	51,80	62,16	74,82	90,65
M-2	Nerea	21,35	25,86	31,13	37,36	44,83	53,96	65,38

Para aumentar los valores de las revoluciones de salida que satisfagan ambos fertilizantes, se realiza una nueva modificación de la relación de transmisión M-2, dirigida a lograr el aumento de la frecuencia de rotación (min^-1) en la entrada a la caja de velocidad. Para ello se recalcula la transmisión mediante la ecuación cinemática incrementando el número de dientes de la rueda conductora hasta obtener los valores que satisfacen las normas de entrega para ambos fertilizantes, esto se logra para Z₁ = 26 y Z₂ = 10 y una relación de trasmisión de i = 2,6. Los resultados de la descarga de fertilizantes para M-2 se muestran en la tabla 3, en el sexto escalón de velocidades se entrega la norma para el Agromena y en el cuarto para el Nerea con una adecuada precisión. De este modo se garantiza además la posibilidad de aumentar o disminuir el volumen entregado de fertilizantes en ambos casos empleando los escalones de velocidad restantes y satisfacer las demandas de este tipo de fertilizante según resultados de diferentes autores (González-Cueto et al., 2025bGONZÁLEZ-CUETO, O.; HERNÁNDEZ-SOLARES, A.; LÓPEZ-BRAVO, E.; GONZÁLEZ-NUÑEZ, J. C.; GATO-MARTÍNEZ, I.; CRUZ-DIAZ, M.; GARCÍA-PEDRAZA, L.: "Calibration of fertilizers for application of AGROMENAS-G and NEREA to sugarcane", Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 34, 2025b. ISSN: 2071-0054.; Hamed et al., 2025HAMED, L.; ELGEZERY, M.; ABOU HUSSIEN, E.; FAIYAD, M. N.; EMARA, E.; ABDEL-HAKIM, S.: "Role of nano-mineral fertilizers in sugar beet growth and environmental sustainability in sandy soils", Pedosphere, vol., 2025. ISSN: 1002-0160.).

Determinación de la capacidad de la tolva

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En la figura 4 se muestra el diseño original de la tolva de la fertilizadora TATU, el volumen de carga de cada una es de 0,35 m³. Como resultado del aumento de la norma de entrega tiene lugar una disminución en la disponibilidad del fertilizante y como consecuencia la necesidad de realizar un mayor número de recargas durante la aplicación del mismo. El cálculo de la capacidad de la tolva para satisfacer la entrega se realiza bajo el criterio de mantener la relación entre la entrega y volumen de la tolva, garantizando así los parámetros originales de diseño de la máquina según recomendación de autores como (Cañavate et al., 1989CAÑAVATE, J. O.; MARTOS, J. L. H.; ALTISENT, M. R.: Las máquinas agrícolas y su aplicación, 488pp., Mundi-Prensa, ISBN: 9788-4711-40852, 1989.; Ortiz, 2019ORTIZ, R.: Fertilización Sostenible en Cañaverales Cubanos, Editorial Agroecológica, ISBN: 2019.).

Con las dimensiones actuales de la tolva, para aplicar un fertilizante con densidad promedio de 1 kg/cm³, se pueden cargar hasta 350 kg. Por tanto, con la norma estandarizada máxima actual de 18 kg/min, el tiempo de descarga de la tolva es de 19,4 min. Manteniendo una velocidad de aplicación en la máquina de 7 km/h se logra realizar un recorrido de 2250,4 m que representa 22,5 surcos en campos típicos de 1 ha con distancia de camellón de 1,60 m. Finalmente se logra fertilizar por cada tolva un área de 0,36 ha para un total en la máquina de 0,72 ha.

Con el incremento de la norma de entrega a 74,6 kg/min para el caso del fertilizante Agromena el cual posee además una densidad de 1,3 kg/cm³, es posible llenar la tolva solo con 270 kg, los cuales se descargan en 3,6 min, lo que permite un recorrido de 417,6 m, esto representa un área de 0,14 ha en total. Con esta capacidad de trabajo se afectan los principales parámetros de explotación de la máquina, incrementándose los tiempos de preparación, traslado, carga y tiempo de campo.

Figura 4. Tolva de la fertilizadora TATU-M.

Para lograr indicadores de explotación en correspondencia con los parámetros originales de la máquina se propone el aumento de la capacidad de carga de la tolva de tal modo que se mantenga un tiempo de descarga de 20 min, lo cual representa cargar la tolva con 1,5 t lo que implica aumentar el volumen de la misma a 1,1 m³.

No obstante, como consecuencia del aumento del volumen total a 3 t, se incrementa la potencia necesaria para manejo y la presión que ejerce sobre el eje trasero del tractor. De igual modo sería necesario evaluar el desempeño del transportador sinfín y la capacidad de los conductos para depositar el volumen al suelo considerando un aumento en el caudal de salida lo cual puede incrementar la presión en el interior de los conductos.

Conclusiones

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El mecanismo dosificador de intercambio por ruedas de cadenas en la fertilizadora TATU-M posee una relación de transmisión entre 0,57 y 1,75, lo que resulta insuficiente para entregar la dosis necesaria de fertilizantes órgano-minerales Nerea y Agromena.

La dosificación adecuada para aplicar las normas de entrega de los fertilizantes Nerea o Agromena se logra al modificar el número de dientes de la rueda del hidromotor y su intercambio con la del árbol de entrada de la caja de velocidad.

El aumento de la capacidad de carga de la tolva de 0,35 m³ a 1,1 m³ posibilita una adecuada capacidad de campo de la máquina y el mantenimiento de sus parámetros de explotación.

Agradecimientos

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La investigación que da origen a los resultados presentados en la presente publicación recibió fondos de la Oficina de Gestión de Fondos y Proyectos Internacionales del Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente de la República de Cuba, bajo el código PN3602LH002-087.

Introduction

Materials and Methods

Results and Discussion

Characterization of the TATU-M Fertilizer Spreader

Dosing System Modification

Determining Hopper Capacity

Conclusions

Acknowledgments

References

Modificación de una fertilizadora de abonos químicos granulados para la aplicación de fertilizantes órgano-minerales

Introducción

Materiales y Métodos

Resultados y Discusión

Caracterización de la Fertilizadora TATU-M

Modificación del sistema de dosificación

Determinación de la capacidad de la tolva

Conclusiones

Agradecimientos