ARTÍCULO ORIGINAL
Potencia traccional y gases emitidos por el tractor MTZ-82 en la labor de rotura
Traction Power and Gases Emitted by the Tractor MTZ -82 at Plowing Labor
Dr.C. Yanoy Morejón-Mesa, M.Sc. Yanara Rodríguez-López, Dr.C. Roberto González-Valdés, Ing. Loise R. Castillo-Zangroni
Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
RESUMEN
Esta investigación se realizó en áreas de la Universidad Agraria de la Habana, con el objetivo de determinar la potencia utilizada en la tracción y los gases emitidos producto de la combustión en la labor de rotura con el conjunto tractor MTZ-82 y arado de vertedera universal de tres órganos. Para cumplir este objetivo se plantearon los fundamentos teórico-metodológicos y se emplearon los instrumentos de medición necesarios para determinar las reacciones del camino sobre las ruedas, la dinámica traccional del tractor y las emisiones de gases producto de la combustión. A partir de lo planteado con anterioridad se obtuvo que las mayores reacciones del camino ocurren en las ruedas delanteras del tractor alcanzando un valor de 6,82 kN, siendo superior a las de las ruedas traseras en 1,11 kN y a la rueda de campo en 4,1 kN; la profundidad promedio de la labor fue de 16 cm, alcanzándose una esperanza matemática de la velocidad de 1,34 m/s y una esperanza matemática de la fuerza ejercida por el gancho de 5,54 kN, siendo la cantidad de combustible consumido 28,4 L/ha; la potencia del gancho alcanzó un valor de 7,42 kW, siendo esta equivalente al 35% de la eficiencia traccional. Además por cada litro de combustible diésel (C12H26) consumido se expulsan al medio ambiente 0,67 kg de CO; 1,17 kg de CO2 y 0,98 kg de vapor de agua.
Palabras clave: medio ambiente, combustión, reacciones sobre las ruedas, dinámica de tracción.
ABSTRACT
This research was carried out on areas of the Agrarian University of Havana, with the objective of determining the power used in traction and gases emitted product of combustion in the plowing labor with the tractor set MTZ-82 and universal moldboard plows of three bodies. To achieve this objective the theoretical and methodological foundations were considered and the necessary measuring instruments were used to determine the reactions of the road on the wheels, the tractor dynamics of traction and the gases emissions produced by the combustion. Starting from the above stated, it was obtained that the biggest road reactions occur on the front wheels of the tractor reaching a value of 6,82 kN, being superior to those of the rear wheels 1,11 kN and wheel field 4,1 kN; the average depth of the work was 16 cm, reaching a mathematical expectation of the speed of 1,34 m/s and a mathematical expectation of the force exerted by the hook of 5,54 kN, being 28,4 L/ha the amount of fuel consumed; hook power reached a value of 7,42 kW, equivalent to 35% of the traction efficiency. In addition, 0, 67 kg of CO, 1,17 kg of CO2 and 0,98 kg of water vapor were ejected to the environment per liter of diesel fuel consumed (C12H26).
Key words: environment, combustion, reactions on the wheels, dynamic of traction.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad los tractores constituyen la fuente energética principal utilizada en la labranza agrícola, destinados fundamentalmente a las tareas de tracción.
Los tractores se clasifican de acuerdo a su clase traccional y a partir de esta y de la labor que se realice, se puede formar el conjunto agrícola de la forma más eficiente, lo cual permite realizar las labores agrotécnicas en las que el régimen de explotación varía, por lo tanto, para lograr obtener los mejores resultados de tracción y de economía de combustible se hace necesario determinar o calcular previamente los parámetros: masa, velocidad y potencia; esto conlleva a una explotación racional y a un alto grado de rentabilidad.
Otro elemento a considerar en la formación de conjuntos agrícolas, es que, conociendo el valor de la resistencia que le ofrece la máquina agrícola al tractor, se pueden seleccionar los índices traccionales y energéticos del tractor, para lo cual es necesario auxiliarse de las características traccionales de los mismos, o sea los parámetros efectivos del motor y sus características de velocidad (Chudakov, 1977; Leyva et al., 2002; Mayans et al., 2010).
La tendencia en la preparación de suelo desde el siglo XX, tanto en Cuba como a nivel internacional, se orientó hacia la reducción del número de labores, dada la necesidad de conservar los recursos naturales y disminuir los costos de producción, así como el uso de aperos agrícolas que no invirtieran el prisma del suelo (Rodríguez, 1986; Olivet et al., 2012). Aunque por la demanda energética es necesario evaluar la dinámica traccional y el impacto medioambiental de conjuntos agricolas que invierten el prisma de suelo, tales como la roturación o aradura empleándose arados de vertederas.
La preparación de suelo, entre otros factores, está determinada por el tipo de suelo y el medio que se utilice en la labranza. Borgman (1991), y Betancourt et al. (2007), señalaron que la aplicación del laboreo mínimo debe considerar las propiedades del medio a transformar y, en aquellos que poseen características similares, su manejo agrotécnico se diferencia.
La agricultura actual está cuestionada por incrementar fuertemente la contaminación medio ambiental y atmosférica, por los métodos intensivos utilizados a nivel mundial para la producción de alimentos y la explotación indiscriminada de suelos y bosques, así como la conformación inadecuada de los conjuntos agrícolas. En Cuba, la mayoría de las labores agrícolas se realizan de forma mecanizada, por lo que el nivel de emisión de gases a la atmósfera producto de la combustión, es mayor, aspecto que no ha sido investigado por muchos investigadores; de ahí la necesidad de realizar una correcta formación de conjuntos agrícolas para la preparación del suelo y determinar su impacto medio ambiental; específicamente determinar la potencia traccional y los gases emitidos por el conjunto formado por un tractor MTZ-82 y arado de vertedera universal de tres órganos en la labor de rotura
MÉTODOS
La investigación se realizó en el polígono experimental de la Facultad de Agronomía en la Universidad Agraria de La Habana, este polígono presenta un suelo Ferralítico rojo hidratado y ocupa una superficie de 1 ha; el relieve es ligeramente ondulado, la humedad promedio del suelo fue de 38,1%, la cual se determinó mediante el método gravimétrico, tomándose 25 observaciones a diferentes profundidades, también se determinaron la densidad aparente que alcanzó un valor de 1,20 g/cm3 y el peso específico con un valor de 2,6 g/cm3, ambas variables se determinaron mediante el método del cilindro cortante, tomándose igualmente 25 observaciones a diferentes profundidades. Para la realización de estos experimentos se emplearon los instrumentos siguientes: pesafiltros, balanza digital con precisión de 0,01g, barrena de suelo y estufa.
Otros instrumentos y materiales utilizados en los experimentos:
-Tractor MTZ-82 con arado de vertedera universal (con tres órganos);
-Tractor JUMZ-6M (freno);
-Cinta Métrica de 3 m con precisión de ±1mm;
-Cronometro digital con precisión de ± 0,01s;
-Balanza digital con precisión de ±0,1 kg;
-Analizador de gases portátil PCA3con precisión de ± 5%;
-Dinamómetro con precisión de ±0,1 kN.
Metodología para la determinación de las reacciones normales del camino en las ruedas del tractor trabajando con máquinas agrícolas suspendidas
Para la determinación de las reacciones normales del camino en las ruedas del tractor trabajando con máquinas agrícolas suspendidas, se determinó la capacidad de levante del sistema de enganche trasero de tres puntos, para la cual se consideraron los aspectos planteados por Chudakov (1977), Srivastava et al. (1993), Linares (1996), Balastreire (2005), NC ISO 789-2: 2005.
También se determinó el centro de gravedad y la potencia del eje del conjunto agrícola conformado, para lo cual se emplearon las normas NC ISO 789-6: 2005, y NC ISO 789-7: 2005, en la Figura 1 se muestran las reacciones y fuerzas que actúan en el conjunto agrícola durante su trabajo estable y en la Figura 2 se muestra el acoplamiento entre el tractor principal y el tractor freno, con el propósito de registrar mediante un dinamómetro las fuerzas que se originan en la barra de tiro.
Las reacciones normales del suelo sobre las ruedas del tractor, se determinan a partir de las coordenadas longitudinal y vertical a y h y del centro de gravedad del tractor por las correspondientes coordenadas ar y hr del centro de gravedad del conjunto suspendido (tractor con el apero).
donde:
Ggr: peso del conjunto suspendido, kN;
Gs: peso de la máquina suspendida, kN;
as y hs: coordenadas longitudinal y vertical del centro de gravedad de la máquina suspendida, respectivamente, m; α: ángulo de inclinación respecto a la horizontal.
Metodología para la determinación de la dinámica de tracción y el consumo de combustible
Para determinar la dinámica de tracción del conjunto en la labor de rotura, se utilizó un dinamómetro digital modelo DILLON EDextreme con precisión de ±0, 01 kN, como se muestra en la Figura 2. La labor de rotura del suelo, fue realizada a una profundidad que osciló de 15-20 cm en un suelo Ferralítico Rojo Hidratado, esta profundidad se determinó experimentalmente, empleándose una regla milimetrada, tomándose 40 observaciones en el campo labrado, el tractor se mantuvo en la tercera marcha de velocidad, recorriéndose una distancia prefijada de 50 m.
Para determinar el consumo de combustible del conjunto conformado por el tractor MTZ-82 y arado de vertedera en la labor de rotura, se empleó el método de aforado del tanque, descrito en sus investigaciones por Vázquez et al. (2012), para el que se requiere de una regla milimetrada con 1 mm de apreciación, de forma tal que sea posible el control de la variación del volumen de combustible durante la explotación. El depósito debe estar en posición horizontal y sin abolladuras.
El primer paso lo constituye el aforado del tanque para lo cual se toma un recipiente con capacidad de 20 L, con una apreciación de 1 L, este recipiente se llena completamente de combustible, se vierte en el tanque de combustible del tractor y se marcan los centímetros que corresponden al volumen de combustible en la regla milimetrada previamente seleccionada; esta operación se repite hasta completar la capacidad del tanque de combustible del tractor seleccionado. Al concluir la labor, se comprueba la cantidad de combustible existente en el tanque con la varilla y se le resta de la cantidad serviciada inicialmente.
Metodología para la determinación de los gases emitidos producto de la combustión
Para la determinación de los gases emitidos producto de la combustión se empleó un analizador de gases portátil PCA3, mediante el cual se tomaron y registraron 40 observaciones, estas lecturas se corroboraron, a través de los fundamentos planteados por Faires y Simmang (1978), los cuales plantean que en el caso de un hidrocarburo se puede plantear su formulación química, considerándose que pueden estar presentes otros elementos, pero sólo el azufre se quema. En todo caso se debe saber si la combustión se realiza con aire ideal o con exceso o deficiencia de este. Conociéndose esto, se pueden concretar los productos que se obtendrán en una reacción teórica. Si se suministra el aire ideal o más, se obtiene H2O, CO2, y N2, en el caso que haya un exceso de O2 se obtiene en los productos O2.
Si el aire es deficiente, se admite que en la combustión teórica se quema todo el H2 hasta dar H2O, debido a la gran afinidad del oxígeno para el hidrógeno y que el C se queme hasta CO y CO2, generalmente en proporciones desconocidas. Si hay azufre, admitiendo que reaccione hasta dar bióxido de azufre (SO2), algo de este producto reaccionará hasta SO3 y luego en presencia de H2O dará ácido sulfúrico.
Uno de los productos de la combustión de un hidrocarburo es H2O. Si se enfrían los productos hasta la temperatura atmosférica normal, la mayor parte de este H2O se condensa, y el volumen ocupado por un componente líquido es despreciable comparado con el de un gas. El combustible no se quema completamente cuando no se mezcla con más que la cantidad ideal de aire. En este caso algunas moléculas de combustible nunca encuentran el oxígeno necesario. Para la combustión completa, se necesita algún exceso de aire, dependiendo la cantidad conveniente de las circunstancias del proceso.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Determinación de las reacciones normales del camino en las ruedas del tractor trabajando con máquinas agrícolas suspendidas
Entre los principales resultados se determinó el peso del tractor MTZ-82 y del arado de vertedera universal, alcanzando valores 33,7 kN y 2,3 kN, respectivamente, estos valores unidos a la identificación de las coordenadas geométricas del agregado formado, posibilitaron el cálculo de las reacciones normales, considerándose para ello los fundamentos planteados por Chudakov (1977).
Estos resultados se validaron con la determinación de la presión de inflado de los neumáticos (delanteros y traseros) y la huella dejada en el camino1, arribándose a resultados similares por ambas vías de solución, con un error del 10%; empleándose en estos experimentos un manómetro analógico con apreciación de 100 kPa y una cinta métrica de 3 m con precisión de ±1mm .
En la Tabla 1 se puede apreciar que las mayores reacciones del camino ocurren en las ruedas delanteras del tractor, lo cual está dado por la estabilidad que se debe lograr durante la operación de roturación del suelo. En la rueda de campo, las reacciones del camino sobre esta fueron inferiores, lo cual estuvo dado por la fuerza resultante del órgano de trabajo (reja) que alcanzó un valor de 1,85 kN y el ángulo de inclinación respecto a la horizontal, además los brazos delas reacciones en relación con el centro instantáneo de rotación de la máquina suspendida alcanzaron valores de 0,56 m y 0,38 m respectivamente, estos fueron obtenidos durante la regulación del apero antes de comenzar la labor agrícola de roturación, para obtener estos resultados se emplearon los instrumentos de medición descritos con anterioridad.
Determinación de la dinámica de tracción y consumo de combustible
Como resultado de la dinámica de tracción del conjunto MTZ-82 con arado de vertedera universal de tres órganos en la labor de rotura, se obtuvo el comportamiento de la velocidad y la fuerza del gancho ejercida por el conjunto en función de la profundidad de la labor.
Observándose que la profundidad promedio de la labor fue de 16 cm, la esperanza matemática de la velocidad de traslación del agregado de 1,34 m/s y la esperanza matemática de la fuerza ejercida por el gancho de 5,54 kN, el comportamiento de estas variables en función de la profundidad de la labor se muestra en las Figuras 3 y 4.
En la Figura 3 se observa la relación existente entre la velocidad desarrollada por el conjunto y la profundidad de roturación, demostrándose que a medida que aumenta la profundidad, disminuye la velocidad, comportándose de forma inversamente proporcional la relación entre ambas variables, siendo la máxima profundidad alcanzada en la labor de 20 cm en la que se desarrolló una velocidad de 1,09 m/s y la profundidad mínima obtenida fue de 13 cm en la que se desarrolló una velocidad de 1,67 m/s. A medida que aumenta la profundidad de trabajo, aumenta la resistencia de los órganos de trabajo a penetrar en el suelo, esto trae consigo que aumente la resistencia de la máquina agrícola, necesitándose mayor fuerza en el gancho para garantizar el movimiento.
En la Figura 4 se muestra la relación existente entre la fuerza ejercida en el gancho por conjunto y la profundidad de roturación, evidenciándose que a medida que aumenta la profundidad, aumenta la fuerza del gancho, y que para la máxima profundidad alcanzada en la labor se ejerció una fuerza en el gancho de 8 kN y para la profundidad mínima obtenida se ejerció una fuerza en el gancho de 4 kN.
A partir de los valores antes obtenidos, se realiza el balance de potencia traccional, obteniéndose que la potencia del gancho, que no es más que el producto de la fuerza ejercida en el gancho y la velocidad desarrollada por el agregado, alcanza un valor de 7,42 kW.
Conociéndose la potencia real ejercida en el gancho, la clase traccional del tractor MTZ- 82 (14 kN) y la velocidad que debe alcanzar este conjunto en esta labor (que en tercera marcha es de 1,52 m/s, según el fabricante), es posible obtener la potencia nominal del agregado la cual asciende a 21,31 kW. De esta forma es posible determinar la eficiencia traccional del conjunto, que alcanza un valor de 35%, la cual es inferior a los valores mínimos permisibles de eficiencia para este tipo de labor que están entre 60 y 70% según lo planteado por varios especialistas del tema (González, 1993).
Los valores obtenidos de la eficiencia de tracción están directamente relacionados con los años de explotación del tractor, ya que es un equipo de más de 20 años, al cual no se le realizan los mantenimientos técnicos con la periodicidad requerida. Otro aspecto influyente es el mal estado de sus neumáticos aspecto que influye directamente en el patinaje experimentado por el conjunto en la labor de rotura, el cual alcanzó un valor del 12%, el cual es elevado y demuestra su influencia directa en la tracción.
Se determinó que la cantidad de combustible consumido fue de 28,4 L/ha, estando dentro del rango establecido para este conjunto que es de 24-32,4 L/ha, a pesar de las condiciones en que se encuentra el tractor, descritas con anterioridad (González, 1993).
Determinación de los gases emitidos producto de la combustión
A partir de la cantidad de combustible consumido en la labor que fue de 14,2 L y conociéndose que la densidad volumétrica de este es 0,72 kg/L, se determinó la masa de combustible que se gastó alcanzándose un valor de 10,2 kg.
Este combustible por sus características se clasifica como un hidrocarburo en el orden de los octanos (C12 H26), del cual se puede conocer la masa molar que alcanza un valor de 170 kg/kmol, de esta forma es posible obtener la cantidad de esta sustancia en kmol que se quema en la combustión, alcanzando un valor de 0,06 kmol. Para la determinación de los productos de la combustión se tomó un coeficiente de exceso de aire inferior a la unidad, específicamente igual a 0,85, dado a que el tractor empleado en la investigación no contaba con un turbocompresor, por lo tanto, la cantidad de aire necesaria para la combustión fue insuficiente, resultando una combustión incompleta y una mezcla de aire-combustible rica, lo que significa que en la cámara de combustión no se quema todo el combustible que en ella se introduce. Esto se representa en la combustión que a continuación se muestra, donde se pueden observar los valores de la cantidad de sustancia (n), el volumen relativo (V) y la masa (m) de cada componente reaccionante o producto (Figura 5).
Como se muestra en la combustión final obtenida, se evidencia que se expulsan al medio ambiente 9,52 kg de CO; 16,72 kg de CO2 y 14,04 kg de vapor de agua, lo que evidencia un impacto negativo al medio ambiente, lo cual está dado porque no todo el combustible suministrado se quema. Estos resultados arrojan que por cada litro de combustible diésel C12H26, se expulsan al medio ambiente 0,67 kg de CO; 1,17 kg de CO2 y 0,98 kg de vapor de agua.
Estos gases emitidos a la atmósfera traen como consecuencia, el incremento del efecto invernadero, la contribución al deterioro de la capa de ozono, además de contaminar el aire que es respirado por los seres humanos.
CONCLUSIONES
-Los fundamentos teórico-metodológicos planteados evidenciaron que las mayores reacciones del camino ocurren en las ruedas delanteras del tractor alcanzando un valor de 6,82 kN, siendo superior a las de las ruedas traseras en 1,11 kN y a la de la rueda de campo en 4,1 kN.
-La profundidad promedio de la labor fue de 16 cm, alcanzándose una esperanza matemática de la velocidad de traslación del conjunto de 1,34 m/s y una esperanza matemática de la fuerza ejercida en el gancho de 5,54 kN, siendo la cantidad de combustible consumido 28,4 L/ha laboradas.
-La potencia del gancho alcanzó un valor de 7,42 kW, lo que arrojó una eficiencia traccional de 35%, la cual es inferior a los valores mínimos permisibles de eficiencia para este tipo de labor que están entre 60 y 70%.
-Por cada litro de combustible diésel (C12H26) consumido se expulsaron al medio ambiente 0,67 kg de CO; 1,17 kg de CO2 y 0,98 kg de vapor de agua.
NOTAS
*La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.
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Recibido: 15/10/2015
Aprobado: 14/11/2016
Yanoy Morejón-Mesa, Prof. Auxiliar. Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, CP: 32700. Email: ymm@unah.edu.cu
