Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias ISSN: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez.

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1 Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias ISSN: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez Cuba Mayans-Céspedes, Pedro R.; Soca-Cabrera, José R.; López Canteñs, Gilberto; Romantchik- Kriuchkova, Eugenio Determinación de la fuerza de tracción y potencia a la barra de tiro del tractor New Holland 6610s Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 19, núm. 1, 2010, pp Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez La Habana, Cuba Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 MÁQUINAS A PRUEBAS MACHINES TESTING Determinación de la fuerza de tracción y potencia a la barra de tiro del tractor New Holland 6610s Determining the traction power and potential of the power drive of the New Holland 6610s tractor Pedro R. Mayans-Céspedes 1, José R. Soca-Cabrera 2, Gilberto López Canteñs 3 y Eugenio Romantchik-Kriuchkova 3 RESUMEN. Las pruebas energéticas de los tractores están estandarizadas y se rigen por normas que permiten determinar los principales índices del tractor. En el presente trabajo se reflejan los resultados de la prueba de tracción y potencia a la barra de tiro del tractor New Holland 4 para la tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidades en una pista de asfalto, utilizándose la norma MNX Tractor agrícola Determinación de potencia y fuerza de tracción a la barra de tiro Método de prueba y la NC Máquinas agropecuarias y forestales. Evaluación energética. Metodología para su realización. Los resultados de las mediciones realizadas fueron procesados en los paquetes CurveExpert versión 1.3 y Microsoft Excel XP 2002 con los cuales se construyeron las características y dinamogramas de la fuerza de tracción del tractor. La potencia máxima registrada en la barra de tiro en pista de asfalto fue de 18,03; 22,.02; 24,89 y 34,14 kw para la tercera, cuarta, quinta y sexta velocidad respectivamente. Palabras clave: fuerza de tracción, celda de carga, amplificador, medidor de combustible, multímetro ABSTRACT. The energy tests for tractors are standardized and guided by norms which permit the principal indexes of the tractor to be determined. This paper reflects the results of tests of the traction and the potential of the power drive of the New Holland tractor on an asphalt road while in third, fourth, fifth and sixth gear speeds, respectively. The method known as the MNX Norm Agricultural tractor - Determining the potential and traction power of the power drive - Test method and the NC Agricultural and Forest Machinery. Energy evaluation. Methodology for this purpose. The results of these measurements were processed using the CurveExpert version 1.3 and Microsoft Excel XP 2002 software programs with which the tractor traction power characteristics were determined. The maximum power recorded for the power drive on an asphalt road was 18,03; 22,02; 24,89 and 34,14 kw for third, fourth, fifth and sixth gear speed, respectively. Keywords: traction power, power drive, load cell, amplifier, fuel gauge, multimeter INTRODUCCIÓN La mecanización de la agricultura ha permitido aumentar, principalmente, la capacidad de trabajo y la producción, ejecutar las operaciones con mayor oportunidad y calidad, reduciendo y dignificando el esfuerzo físico del hombre; sin embargo, los tractores y máquinas agrícolas tienen un alto costo de adquisición y operación en términos monetarios y energéticos (Hetz y Barrios, citados por De Erbiti y Paneque, 1999). Para lograr optimizar la explotación de la maquinaria agrícola y establecer métodos de organización que aseguren el correcto aprovechamiento de los medios de mecanización, eleven la eficiencia productiva y que las máquinas funcionen cumpliendo su trabajo con alta calidad y eficiencia energética es necesario el estudio detallado de las propiedades de explotación de los conjuntos y en especial el relacionado con la fuente energética, ya que de ello depende en gran medida los indicadores técnicos-económicos (Paneque et al., 1994). El Recibido 13/12/08, aprobado 18/01/10, trabajo 08/10, investigación. 1 M.I., Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Universidad Autónoma Chapingo, km 38,5. Carretera México-Texcoco, Chapingo, Texcoco, Edo. de México, CP , E- : mayans@correo.chapingo.mx. 2 M.C., Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo. 3 Dr.C. Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo. 4 La mención de marcas comerciales de los equipos, instrumentos o materiales específicos obedece únicamente a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos por la dirección de la revista, la que tampoco se responsabiliza con los criterios emitidos con relación a productos de determinada firma comercial. 37

3 presente trabajo tiene como objetivo determinar los principales índices de tracción del tractor New Holland para la tercera, cuarta, quinta y sexta posición de la caja de cambio de velocidad en una pista de asfalto. MATERIALES Y MÉTODOS Condiciones ambientales La información referente a las condiciones metereológicas durante el periodo de realización de las actividades experimentales, se obtuvieron del observatorio metereológico de Chapingo, ubicado a una altitud de msnm, a los de latitud norte y a los de longitud oeste del meridiano de Greenwich. Los valores medios de temperatura ambiente, presión atmosférica y humedad relativa fueron de 14,7 C, 0,0786 MPa y 75%, respectivamente en el periodo analizado. Instrumentos y medio de medición Todos los instrumentos de medición utilizados en la fase experimental fueron calibrados y verificados, cumpliendo cada parámetro medido con las tolerancias permitidas (MNX- O-169-SCFI, 2002). En el Cuadro 1 se muestran los instrumentos de medición con su precisión correspondiente. Además se utilizó como medio de medición el datalogger modelo NR khz. La calibración se realizó antes y después de la prueba de tracción. La celda de carga se suspendió por uno de los extremos a la grúa, se conectó el amplificador y por el otro extremo se colocó un cable de acero para incrementar la carga a partir de pesos conocidos (Figura 1). Las señales originadas por la deformación de los extensómetros fueron registradas por el multímetro, que se conectó a los terminales del amplificador, obteniéndose las lecturas de carga. Las lecturas de descarga se obtuvieron eliminando pesos (cada 20 kg), calculándose el valor promedio de las lecturas. En la Figura 2 se muestran los resultados de la calibración de la celda de carga. FIGURA 1. Calibración de la celda de carga. CUADRO 1. Instrumentos de medición y su precisión Instrumento de Medición Precisión Balanza Analítica ± 0,01 g Probetas ± 10 ml Tacómetro Digital ± 1 min -1 Cinta Métrica ± 5 mm Cronómetro ± 0,01 s Medidor de Combustible ± 0,02 L Multímetro ± 0,1 mv Celda de carga ± 2,53 N Amplificador ± 10% 38 Metodología utilizada en la determinación de los indicadores energéticos del tractor Para calcular los principales índices de tracción del tractor, se consultó la norma mexicana MNX-O-169-SCFI (2002): Tractor agrícola Determinación de potencia a la toma de fuerza Método de prueba, otra norma mexicana, la NMX-O- 203-SCFI (2004): Tractor agrícola Determinación de potencia y fuerza de tracción a la barra de tiro Método de prueba y la norma cubana NC Máquinas Agropecuarias y Forestales - Evaluación Energética Metodología para su realización. Calibración de la celda de carga FIGURA 2. Variación de la deformación de los extensómetros en dependencia de la carga aplicada. Dispositivo de carga y procedimiento utilizado en la prueba de tracción del tractor Se empleó en calidad de dispositivo de carga a los tractores FORD y TW-20. La variación de la carga se logró cerrando el suministro de combustible a los cilindros y cambiando el número de marcha. Para realizar la prueba de tracción del tractor se siguió el siguiente procedimiento: 1. Se instaló el medidor de combustible, datalogger y amplificador en el tractor New Holland (Figura 3).

4 FIGURA 3. Instalación de los instrumentos de medición. (1) Datalogger; (2) amplificador; (3) medidor de combustible. 2. Se enganchó la celda de carga por uno de sus extremos a la barra de tiro del tractor New Holland y por el otro a una cadena para remolcar al tractor que actuaba como freno (Figura 4). Se realizaron las conexiones correspondientes de la celda de carga al amplificador y de éste al datalogger que almacenó los resultados de la prueba. P g -Fuerza de tracción en la barra de tiro [N]; Ý-Valor de tensión almacenada en la tarjeta magnética [mv]. 2. Distancia teórica: Se utilizó la siguiente expresión: S 1 -Distancia recorrida por el tractor sin carga [m]; P- Perímetro de la rueda motriz [m]; n- Número de vueltas de la rueda motriz. 3. Patinaje de las ruedas motrices: Se calcula por la expresión: (2) d-patinaje de las ruedas motrices [%]; S: Distancia recorrida por el tractor bajo carga [m]. La curva de patinaje se construyó para la cuarta posición en la caja de cambio de velocidad. 4. La velocidad de trabajo: Se calcula como: (3) FIGURA 4. Colocación de la celda de carga. 3. Durante la prueba de tracción se fue aumentando progresivamente la carga al tractor en las posiciones de la caja de cambio de velocidad seleccionada, realizándose para cada una de ellas dos repeticiones en una pista de asfalto con longitud aproximada de 200 m. 4. En el transcurso de la prueba se midió el perímetro de la rueda motriz, la distancia recorrida bajo carga para 20 vueltas de las ruedas motrices, el tiempo de duración del recorrido y el consumo de combustible. Parámetros de tracción del tractor calculados a partir de los resultados de la prueba (Chudakov, 1977 e Iglesias et al., 1999): 1. Fuerza de tracción en la barra de tiro: Se utilizó la ecuación obtenida a partir de la calibración de la celda de carga: (1) V t -Velocidad de trabajo [m/s]; t 1 -Tiempo durante el recorrido [s]. 5. Potencia en la barra de tiro: Se calcula en base a la fuerza de tracción y la velocidad de trabajo. N g -Potencia en la barra de tiro [kw]. 6. La frecuencia de rotación del motor: Se calcula por la expresión (Jrobostov, 1977): (4) (5) (6) 39

5 n m -Frecuencia de rotación del motor [min -1 ]; R-Radio reducido de la rueda motriz [R=0,71 m]; i- Relación de transmisión final. Para determinar la relación de transmisión final, se alzó el puente trasero del tractor sobre soportes y se aceleró el motor hasta que en el tablero de control indicó una frecuencia de rotación de min -1. Posteriormente se colocó la cuarta posición en la caja de cambio de velocidad y con un tacómetro se determinó la frecuencia de rotación de las ruedas motrices. El valor de i se calcula como: n r : Frecuencia de rotación promedio de las ruedas motrices [min -1 ]. 7. El consumo horario de combustible: Se determinó tomando el tiempo en que gastó 0,1 L de combustible: G h -Gasto horario de combustible [kg/h]; q-volumen de combustible consumido en el recorrido [L]; t c -Duración del recorrido [s]; ρ-densidad del combustible [kg m -3 ]. 8. El consumo especifico de combustible: Se calculó de la siguiente manera: (7) (8) (9) g e- Consumo especifico de combustible [g/kw h]. 9. Eficiencia en la transmisión en la caja de cambio: Se calcula mediante la fórmula: (10) η t -Eficiencia en la transmisión de la caja de cambio; N m -Potencia efectiva del motor [según el fabricante es de 65,62 kw]; N gm -Potencia máxima en la barra de tiro [kw]. 10. El factor de peso del tractor para cada transmisión seleccionada: Se calcula como: (11) K a -Factor de utilización del peso del tractor. G t -Peso del tractor. [según el fabricante es de 24,81 kn]; P gm -Fuerza de tracción máxima en la barra de tiro [kn]. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los modelos matemáticos que reflejan el comportamiento de los indicadores de tracción obtenidos a partir del incremento de la carga en la barra de tiro del tractor están contenidos en el Cuadro 2. En el mismo se observa que el modelo de mejor ajuste obtenido para la velocidad de trabajo y la potencia en la barra de tiro fue la racional, mientras que para el patinaje, el gasto horario y específico de combustible fueron la función exponencial, el modelo MFF y Weibull respectivamente. CUADRO 2. Modelos matemáticos que reflejan el comportamiento de los indicadores de tracción del tractor para tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidades Valores de los coeficientes Modelo Parámetro a b c d S R 2 Vt III 5,828-0,448-0,069-5,760e -4 0, ,999 Vt IV 7,848-0,660-0,076-6,890e -4 0, ,999 Vt V 9,320 7,435e ,38 0,0029 0,999 Vt VI 11,328-1,028-0,089-1,126e -4 0,0039 0,997 G hiii 3,200 18,566 12,936 1,443 0,0029 0,999 G hiv 3,809 66,445 72,733 0,752 0,1520 0,998 G hv 4,650 10,928 16,754 1,138 0,0022 0,999 G hvi 4, , ,500 1,124 0,0699 0,999 Ng III 7,184e -8 1,507-0,010 1,000e -3 0,00226 Ng IV 1,777e -7 2,157 0,004 4,700e -4 0,00229 Ng V 1,923e -7 2,874 0,047-2,900e -3 0, ,999 Ng VI 0,010 2,949-0,023 2,129e -3 0, ,999 g eiii 7614, ,330 0,686-1,378 0, ,999 g eiv 5171, ,500 0,468-1,081 1, ,999 g ev 13264, ,320 0,322-1,870 5, g evi 5740, ,060 0,427-1,145 2, ,999 δ IV 0,6878 0,174 0, ,964 Leyenda: S: Desviación estándar, R 2 : Coeficiente de correlación, x: Fuerza de tracción 40

6 En función de la frecuencia de rotación del motor, los modelos matemáticos de mejor ajuste para la potencia en la barra de tiro, fuerza de tracción y consumo de combustible es el modelo racional, mientras que para el consumo especifico es el growth rate (Cuadro 3). CUADRO 3. Modelos matemáticos que reflejan el comportamiento de los principales índices de tracción en función de la frecuencia de rotación del motor para la cuarta posición en la caja de cambio de velocidad Valores de los coeficientes Modelo Parámetro a b c d S R 2 Ng -1,387e , ,09 0,4862 0,1043 0,999 G h -3,328e , ,39 49,313 0,0033 0,999 g e -15, ,7 168,83 0,986 Pg ,06-917,014 0,368 0,0565 0,999 En el Cuadro 4 se muestran los valores promedios de los indicadores de tracción para diferentes niveles de carga, así como el patinaje y frecuencia de rotación del motor para la cuarta posición de la caja de cambio de velocidad del tractor (i=75,86). A partir de estos resultados se construyó la característica de tracción y de velocidad del motor (Figuras 5 al 7). CUADRO 4. Valores promedios de los principales índices del tractor obtenidos durante la prueba de tracción a diferentes niveles de carga en las velocidades tercera, cuarta, quinta y sexta Posición en la caja de cambio del tractor freno P g (kn) v t (km/h) N g (kw) G h (kg/h) g e (g/kw. h) δ (%) n m (min -1 ) 0 5,83 0 3,2 II TW-20 6,66 5,54 10,26 7,62 742,7 TW-20 10,26 5,4 15,39 9,12 592,59 V II 12,35 5,26 18,03 9,72 539,1 0 7,85 0 3,8 0, II 2,73 7,67 5,81 6,0 1032,7 0, II TW-20 6,87 7,42 14,15 7,88 556,89 2, TW-20 11,23 7,06 22,02 9,7 440,51 4, ,32 0 4,65, II 2,94 9,29 7,59 6,68 880,10 I 3,98 9,11 9,56 7,21 754,18 V 10,2 8,78 24,89 10,14 407, ,34 0 4,81 II 3,07 11,30 9,64 7,36 763,48 I 4,13 11,23 12,89 7,82 606,67 8,09 11,20 25,16 11,54 459,85 10,86 10,66 32,14 13,81 429,68 41

7 FIGURA 5. Característica de tracción del tractor en pista de asfalto para las velocidades de trabajo seleccionadas. FIGURA 6. Dependencia de la potencia en la barra de tiro y la fuerza de tracción del tractor con la velocidad del motor en pista de asfalto. FIGURA 7. Dependencia del gasto horario y específico de combustible del tractor con la velocidad del motor en pista de asfalto. 42 En la característica de tracción se observa que al aumentar la carga aumenta la potencia de tracción, el gasto horario de combustible y el patinaje de las ruedas motrices, disminuyendo la velocidad de trabajo y el consumo específico de combustible. Este comportamiento se mantiene para cada posición en la caja de cambio de velocidad. En la característica de velocidad del motor se observa que existe una disminución de la frecuencia de rotación cuando aumenta la fuerza de tracción, la potencia a la barra de tiro y el consumo horario de combustible, mientras que el consumo específico de combustible disminuye. En el Cuadro 4 se observa que la diferencia entre las cargas de una posición de la caja de cambio de velocidad y la inmediata en el tractor freno es alta, debido a que poseen transmisiones escalonadas. Cuando se utilizan tractores como dispositivo de carga no es posible realizar las mediciones ne-

8 43 Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 19, No. 1, 2010 cesarias (de 5 a 7 pruebas) en la zona próxima a máxima potencia para definir la rama de regulación y de sobrecarga del motor. En el Cuadro 5 se reflejan los índices de tracción del tractor obtenidos a carga máxima que ofrece el tractor freno en las posiciones de marcha seleccionadas, en el mismo se observa que aumenta la eficiencia en la transmisión con el incremento de la potencia de tracción, lo que indica un mejor aprovechamiento de las capacidades energéticas del tractor. En cuanto al factor de peso, fue aumentando con el crecimiento de la fuerza de tracción. CUADRO 5. Valores medios de los principales índices del tractor obtenidos a carga máxima que ofrece el tractor freno en las velocidades seleccionadas en pista de asfalto Parámetro Unidad de Posición en la caja de cambio medida P g kn 12,35 11,23 10,20 10,86 V t km/h 5,26 7,06 8,78 10,66 N g kw 18,03 22,02 24,89 34,14 G h kg/h 9,72 9,70 10,14 13,81 g e g/kw h 539,10 440,51 407,39 429,68 δ % 5,91 4,69 4,07 4,56 η t 0,27 0,34 0,38 0,49 Ka 0,50 0,45 0,41 0,43 CONCLUSIONES La potencia máxima obtenida en la barra de tiro del tractor durante la prueba de tracción en pista de asfalto fueron de 18,03; 22,02; 24,89 y 34,14 kw correspondientes a las posiciones de tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidad, respectivamente. El gasto horario de combustible alcanza su valor más alto cuando la potencia de tracción es máxima, siendo de de 9,72; 9,70; 10,14 y 13,81 kg/h para las posiciones de tercera, cuarta, quinta y sexta en la caja de cambio de velocidad, respectivamente. El consumo específico de combustible alcanza valores mínimos de 539,10; 440,51; 407,39 y 429,68 g/kw h para las posiciones de tercera, cuarta, quinta y sexta en la caja de cambio de velocidad, respectivamente. Estos valores corresponden a la potencia máxima de tracción. En la característica de velocidad del motor se observó que existe una disminución de la frecuencia de rotación del motor de a min -1 cuando aumenta la carga de 0 a 11,26 kn, la potencia en la barra de tiro de 0 a 22,02 kw y el consumo de combustible de 3,8 a 9,7 kg/h. Mientras que el consumo especifico de combustible disminuye hasta 440,51 g/kw h. La eficiencia en la transmisión de la caja de cambio fue de 27, 34, 38 y 49% para la tercera cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidad, respectivamente. El factor de peso para cada transmisión seleccionada fue de 0,41; 0,42; 0,45 y 0,5 para valores de carga de 10,20; 10,86; 11,23 y 12,35 kn, respectivamente. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHUDAKOV, D.A.: Fundamentos de la teoría y cálculo de tractores y automóviles, 435pp., Editorial MIR, Moscú, URSS, DE ERBITI, M.E.; P. PANEQUE: Indicadores energéticos de dos conjuntos agrícolas utilizados en la siembra y cosecha de la papa en Cuba, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 8(3): 1-7, JROBOSTOV, S.N.: Explotación del parque de tractores y máquinas, 552pp., Editorial MIR, Moscú, URSS, MNX-O-169-SCFI: Tractor agrícola Determinación de potencia a la toma de fuerza Método de prueba, 37pp., D.F., México, Vig MNX-O-203-SCFI. Tractor agrícola Determinación de potencia y fuerza de tracción a la barra de tiro Método de prueba, 35pp., D.F., D.F., México, Vig NC : Máquinas agropecuarias y forestales. Evaluación energética. Metodología para su realización, 20pp., La Habana, Cuba, Vig. Julio IGLESIAS, C. C.; P. PANEQUE;. L. SHKILIOVA: Evaluación y pruebas de tractores y maquinas agrícolas, 485pp., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, México, PANEQUE, P.; H. DE LAS CUEVAS; M. VILA; R. MEDERO: Parámetros de explotación de los tractores para la mecanización de los cítricos en Cuba, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 4(1):18-25, 1994.