INVESTIGACION DE LA ESTABILIDAD DE MOVIMIENTO DE LOS ARADOS DE DISCOS EN LAS CONDICIONES DE CUBA.

Síntesis

Los arados de discos son implementos de gran importancia en la preparación de suelos cañeros, por su capacidad de virar los suelos arcillosos cortando, simultáneamente, las cepas y demás residuos de cosecha. En la actualidad, en la preparación de los suelos cañeros de Cuba, coexisten las tecnologías de preparación de suelos. Sin embargo, no se concibe, hasta el momento, la erradicación total de los arados de discos cuyo uso es imprescindible en los suelos más pesados y de mal drenaje. La principal dificultad de estos implementos consiste en una deficiente estabilidad de movimiento en el plano horizontal a cuyo estudio se dedicó el presente trabajo.

Se realizó un estudio teórico y experimental de las 4 variantes más perspectivas de arado de discos: a) arado suspendido con enganche de 3 puntos y un estabilizador en forma de rueda de surco; b) igual variante con enganche de puntos; c) arado semisuspendido con enganche de 3 puntos y 2 estabilizadores en forma de ruedas de surco-delantera y trasera, que se corresponden con 2 grados de libertad; ch) igual variante con enganche de 2 puntos. Se desarrollaron modelos matemáticos de las variantes, sobre la base de ecuaciones diferenciales lineales de segundo grado; se estudió el comportamiento estable de los equipos en el trabajo mediante el primer método de Liapunov y el criterio de Rauss-Hourwitz y se comprobó, en condiciones de campo, en 2 instalaciones tensométricas experimentales mediante un diseño de Grauss-Zeydel.

Se estudió el comportamiento de las fuerzas actuales sobre los órganos de trabajo y los estabilizadores, así como los parámetros óptimos de éstos en condiciones de campo, utilizando bastidores, tensométricos y en condiciones de simulación, usando canales de suelo mediante experimentos multifactoriales del tipo 2 (método Box-Wilson)

Se definió para los equipos en cuestión la estabilidad de movimiento según Liapunov como la propiedad de oscilar respecto a la trayectoria programada de movimiento dentro de un rango previsto y retornar, rápidamente, a éste en caso de desviarse de ésta.

Se pudo comprobar que si en cualquiera de las variantes estudiadas se obtiene el equilibrio estático de las fuerzas y momentos medios que actúan sobre el arado, estando éste acoplado a un punto real o abstracto, ubicado en el tractor y que lo precede en el sentido de movimiento y los momentos excitadores de desviaciones de la trayectoria de movimiento, son menores en valor a los momentos estabilizadores máximos creados por las ruedas de surco, los componentes reales de las raíces de las ecuaciones diferenciales serán negativos y el sistema será estable según Liapunov y según el determinante de Rauss-Hourwitz. Esto constituye una caracterización cualitativa del movimiento estable de un arado.

Asimismo se pudo comprobar, teórica y experimentalmente, el criterio de Reece respecto a que en caso de desviarse el arado de los rangos preestablecidos y desearse su pronto regreso, la relación óptima entre el coeficiente de amortiguación de las oscilaciones del arado y la frecuencia de las oscilaciones propias, es de 0,59.

En razón de lo expuesto se comprobó: que la aproximación del arado al centro de enganche mejora su estabilidad hasta el punto de que la sustitución del enganche de 3 puntos por el de 2 puntos puede mejorar el coeficiente de variación del ancho de trabajo V B hasta en 2,5% ( 20 a 30% del valor original).

Contradictoriamente, en este caso se incrementa la amplitud de las oscilaciones en el espectro de las frecuencias más elevadas, al reducirse el momento de inercia del sistema, lo que se puede solucionar mediante acciones para el incremento de éste.

La velocidad de movimiento sirve como factor amplificador de las desviaciones, producto de fuerza sirven como amortiguadores de esas excitaciones. El uso de moderadores puede reducir el coeficiente de variación del ancho en 0,35% ( 3 a 5% del valor original). Igual efecto produce la desviación del barrete central del tercer punto hasta en 10 grados, producto del desfasamiento de la torre del implemento.

Las modificaciones constructivas de los arados que permiten acercar el centro de masa del implemento al plano de simetría del tractor, brindan reducciones de V B mayores a 1,5% ( 10 a 15 del valor original).

Se pudo comprobar, teórica y experimentalmente, que mediante el desfasamiento del centro de tiro del arado, se puede distribuir, a voluntad, entre las ruedas de surco y del tractor, la reacción a las fuerzas desestabilizadoras del movimiento.

Se comprobó, teórica y experimentalmente, que en la aradura de suelos pesados dedicados a caña, la rueda de surco no puede estabilizar arados con anchos de corte superiores a 1 m , por lo que en caso de arados mayores parte de las fuerzas desestabilizadoras deben asimilarse por una segunda rueda o por el tractor.

Como resultado de las investigaciones realizadas, se desarrollaron los siguientes arados: AR-3M /se produjo durante 5 años): ADI-3 (se produce en la actualidad); ADI-4 (se produjeron cerca de 200 equipos); ADS-5 (pendiente de producción).

El efecto económico de la introducción de los nuevos equipos es de 0,4 pesos/ha por concepto de disminución de gastos.

Research of disc plow movement stability under the conditions of Cuba

Summary

Disc plows are implements of great importance for soil tillage in sugarcane areas for their ability to invert silty soils and simultaneously cut sugarcane stools and other crop residues. At present, in Cuba , different soil tillage technologies, in sugarcane areas, coexist.

In fact, the total eradication of disc plows is not possible up to this moment, since their use is inevitable in heavy, poor drainage soils.The main difficulty of these implements consists in a deficient stability in an horizontal plane, which has been the main objective of the present research.

A theoretical and experimental study of the four most promising disc plow variants was carried out: (a) the plow suspended with a three point coupling and a stabilizer in the shape of a row wheel; (b) the same variant, but with a two point coupling; (c) a semi- suspended plow with a three point coupling and two stabilizers in the shape of front row and rear row wheels, which corresponded to two degrees of freedom, (d) the same variant, but with a two point coupling. Mathematical models of the variants were developed, based on second degree, linear, differential equations, and the stable behaviour of the equipment during labor operations was studied by the first Liapunov method and the Rauss-Hourwitz criterium; with verification, under field conditions, in two experimental tensiometric facilities, by a Grauss-Zeydel design.

The behaviour of forces acting on the working organs and on the stabilizers as well as their optimum parameters under field conditions, using frames, tensiometric, and under simulation conditions, using soil channels, by means of type 2 n multifactorial experiments (Box-Wilson method) was studied.

Movement stability of the equipment under study was defined, according to Liapunov, as the property to oscillate regarding the programmed movement path, within a planned range, and to rectums quickly to the latter, in cases of deviation from it.

It was demonstrated that if any of the studied variants reaches a static balance of mean forces and momentums acting on the plow, while coupled to a real or abstract point, located in the tractor and that precedes it in the way of movement, and the momentums that crate deviations from the wheels, the real components of the roots of the differential equations will be negative and the system will be stable, according to Liapunov ant to the Rauss-Hourwitz determinant.

The practical verification of the equation showed the same effect on the movement stability with regards to the elements that constitute the plow.

Likewise, the Reece criterium , with regards to that, in case the plow deviates from preestablished ranges and its quick retum is wished, the optimum relation between the coefficient of shock absorption of the plow oscillations and the frequency of own oscillations is 0,59, was verified theoretically and experimentally.

In correspondence to what has been stated, is was verified that approaching the plow to the coupling center improves its stability to a point in which the substitution of three point coupling by two pints can improve the variation coefficient of the working width Vs up 2,5% (20-30% of the original value).

Contradictorily, in this case, the extent of oscillations in the higher frequency spectrum increases when the system inertia momentum decreases, which can be solved by actions to increase the latter.

The movement speed acts as a deviation amplifying factor on account of the high frequency excitant forces; the inertia momentum and the power moderators act as shock absorbers of such excitations. The use of moderators can reduce the variation coefficient of the width by 0,35% (3-5% of the original value).

The same effect produces the deviation of the small, third point bar, up to 10 degrees, as a consequence of the displacement of the implement's tower.

The constructive modifications of plows that allow to bring closer the implements mass center to the tractor's symmetry plane, offer reductions of Vb greater than 1,5% (10-15% of the original value).

It was theoretically and experimentally verified that by displacing the plow's draft center , the reaction to the movement destabilizing forces can be willingly distributed between the row wheels and the tractor wheels.

It was theoretically and experimentally verified that in deep pillowing of heavy soils dedicated to sugarcane, the row wheel cannot stabilize plows with working widths wider than 1 m , therefore in the case of larger plows; part of the destabilizing forces must be assimilated by a second wheed or by the tractor.

As a result of the research carried out the following plows were developed: AR-3M (produced); and ADI-5 (production pending).The economic effect of the introduction of the new equipment is of 0,4 pesos/ha by means of reduction of costs.