Diseño de un nuevo apero para la labranza conservacionista ...

UNIVERSIDAD CENTRAL ¨MARTA ABREU¨ DE LAS VILLAS

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

DEPARTAMENTO DE INGEIERÍA AGRÍCOLA

Diseño de un nuevo apero para la labranza

conservacionista en caña de azúcar

Tesis presentada en opción al título académico de Máster en

Ingeniería Agrícola

Autor: Ing. Maykel Cruz Díaz

Año 2014

UNIVERSIDAD CENTRAL ¨MARTA ABREU¨ DE LAS VILLAS

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

DEPARTAMENTO DE INGEIERÍA AGRÍCOLA

Diseño de un nuevo apero para la labranza

conservacionista en caña de azúcar

Tesis presentada en opción al título académico de Máster en

Ingeniería Agrícola

Autor: Ing. Maykel Cruz Díaz

Tutor: Dr. C. Miguel Herrera Suárez

Año 2014

Resumen

Tesis Maestría. Maykel Cruz Díaz (2014). Diseño de un nuevo apero para la labranza conservacionista…

RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo la fundamentación de los parámetros de diseño de un nuevo

apero para la labranza conservacionista de los suelos agrícolas destinados al cultivo de la caña de

azúcar en Cuba, para lo cual se realizó una caracterización de tres áreas destinadas al cultivo de la

caña de azúcar en la provincia de Villa Clara, estas áreas se encuentran enclavadas en la UEB

Efraín Alfonzo del municipio Ranchuelo, en la UEB Abel Santamaría Cuadrado del municipio

Encrucijada y en la UEB Héctor Rodríguez del municipio Sagua la Grande, donde se determinó la

geometría del perfil del suelo en campos plantados en surcos y listos para demoler, lo que posibilitó

calcular los parámetros geométrico-dimensionales de los órganos de trabajo del nuevo apero y

diseñar los mismos, con el apoyo de softwares especializados para el cálculo ingenieril, así como

realizar el análisis resistivo de los elementos estructurales de los mismos. También se realizó el

análisis de factibilidad económica de la nueva propuesta donde se comprobó, que la

comercialización de un Paratill en el mercado con características similares, ronda los 6 000 CUC

y el precio de fabricación de la nueva variante propuesta es de 4 422,3 CUC, según se indica en la

ficha de costo, (Anexo 3) por lo que los beneficios económicos de la fabricación del nuevo apero

oscilarán entre los 1 577, 8 CUC por unidad. Además finalmente se obtuvo la documentación

necesaria para la construcción del nuevo apero en Cuba.

Tabla de Contenidos


TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1

CAPITULO I SITUACIÓN ACTUAL DEL TEMA OBJETO DE INVESTIGACIÓN ................ 7

1.1 Tecnologías mecanizadas empleadas en la labranza de suelos ....................................... 8

1.2 Tecnologías de labranzas contemporáneas en Cuba ..................................................... 12

1.3 Características de los órganos de trabajo desarrollados para la agricultura

conservacionista de suelos ............................................................................................ 17

1.4 Propiedades dinámicas del suelo requeridas para el diseño de los órganos de trabajo de

los aperos de labranza ................................................................................................... 20

1.5 Análisis de las investigaciones realizadas sobre la temática objeto de estudio en Cuba

....................................................................................................................................... 23

1.6 Conclusiones Parciales del Capítulo ............................................................................. 32

CAPITULO II PROGRAMA Y METODOLOGÍA DE LAS INVESTIGACIONES

EXPERIMENTALES .................................................................................................................... 33

2.1 Programa de las investigaciones experimentales .......................................................... 33

2.2 Metodología para el desarrollo de las investigaciones experimentales ........................ 34

2.2.1 Metodología para la caracterización de las condiciones de experimentación ........... 34

2.2.2. Metodología para la determinación de las dimensiones del perfil del suelo ............. 35

2.2.3. Metodología para el procesamiento digital de las imágenes tomadas ....................... 37

2.3 Verificación de la exactitud de las mediciones ............................................................. 40

2.4 Metodología para el procesamiento estadístico de los resultados................................. 41

2.5 Metodología para el cálculo de la demanda tractiva y de potencia del nuevo apero .... 42

2.6 Metodología para el cálculo resistivo del órgano de trabajo del nuevo apero .............. 43

CAPITULO III RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................... 48

3.1 Caracterización de la zona objeto de experimentación ................................................. 48

3.2 Resultados de la determinación de las dimensiones del perfil del suelo ...................... 49

3.3 Diseño del nuevo apero. ................................................................................................ 52

3.3.1 Fundamentación de la estructura del nuevo apero................................................... 52

3.3.2 Cálculo de los parámetros geométricos-dimensionales del nuevo apero ................ 54

3.3.3 Cálculo de la resistencia a la tracción del apero ...................................................... 56

3.3.4 Análisis de la resistencia del apero diseñado........................................................... 56

3.4 Análisis de Factibilidad Económica .............................................................................. 62

3.5 Conclusiones Parciales del capítulo .............................................................................. 63

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 64

Tabla de Contenidos


RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 65

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

ANEXOS

Introducción


INTRODUCCIÓN

Actualmente en el ámbito internacional se emplean varias tecnologías de preparación de suelos que

van desde el laboreo total hasta la labranza cero. La tendencia fundamental se dirige hacia la

labranza conservacionista, con el fin de garantizar la no inversión del prisma, la cobertura de paja

y la remoción de la menor área de suelo posible. Las principales tecnologías que se emplean en la

actualidad son: La tecnología de labranza convencional o tradicional y la Tecnología de labranza

conservacionista.

En general, se identifican tres grupos de tecnologías de labranza que se pueden definir como

conservacionistas, pues se sustentan en el mínimo laboreo del suelo y en propiciar una cubierta del

suelo con los residuos de cosecha. Las mismas son: labranza reducida; labranza mínima y labranza

cero o siembra directa.

Actualmente la mayoría de los países han adoptado las tecnologías de labranza conservacionista

de suelos, pues las mismas se sustentan en una serie de principios que se han establecido con el fin

de cuidar o conservar el suelo.

Según Silveira (2007), los principios en que se sustenta la labranza conservacionista de suelos son:

la no inversión del prisma del suelo, la mínima alteración mecánica del suelo, la cobertura

permanente, especialmente por residuos de cultivos y por último, la rotación de cultivos.

Introducción

Tesis Maestría. Maykel Cruz Díaz (2014). Fundamentación de los parámetros de diseño de un nuevo apero… 2

Las principales ventajas de las tecnologías de labranza conservacionistas están relacionadas con la

disminución de la evaporación directa del agua desde el suelo producto de la cobertura vegetal; la

disminución o eliminación de la erosión hídrica y eólica del suelo; la posibilidad de mejorar la

macro porosidad del suelo; la mejora de la estructura y estabilidad de los agregados del suelo.

Además, no genera costras superficiales, aumentando el contenido de Materia Orgánica (Mo) y

mejora la disponibilidad de nutrientes en un 10%; incrementa la capacidad de infiltración; y el

contenido de humedad del suelo y, por último, eleva la actividad biológica.

Sin embargo, la labranza conservacionista también tiene algunas desventajas pues posee tasas de

descomposición de los rastrojos más bajas y la presencia de estos puede reducir también la

efectividad del control de algunas malezas. El ambiente generado por estos rastrojos en la

superficie puede ser favorable para la perduración de algunas plagas, tanto animales como

patógenas. Por su parte el menor calentamiento del suelo puede provocar algunos problemas en la

fase de implantación y desarrollo inicial de algunos cultivos y el uso continuado de la siembra

directa puede provocar algunos problemas de compactación durante el tráfico de las máquinas e

implementos por el interior del campo.

En Cuba ha sido muy empleada la tecnología de labranza tradicional, la cual en la actualidad aún

se sigue utilizando. Sin embargo, en las últimas décadas del siglo pasado y en los inicios del

presente se han desarrollado varias tecnologías de labranza conservacionista de suelos,

fundamentalmente para el cultivo de la caña de azúcar. Según Silveira, (2007), las tecnologías de

preparación de suelo en Cuba se agrupan en tres tecnologías básicas: el Laboreo Tradicional con

inversión del prisma, el Laboreo Mínimo sin inversión del prisma y la Labranza Cero o Siembra

Directa.

Introducción


Las principales aplicaciones de estos sistemas de labranza en Cuba se basan en las tecnologías

desarrolladas por el Institutito de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), con aplicaciones

en la agricultura cañera y no cañera; la tecnología desplegada por el Instituto Nacional de

Investigaciones de la Caña de Azúcar (INICA), introducida específicamente para el laboreo de los

suelos cañeros; y la tecnología desarrollada por la Universidad de Granma (UDG), que se apoya

en el empleo de una máquina Multilabradora, fundamentalmente de suelos cañeros (Bouza, et al,

1997, Zamora y Llanes, 2002, Leyva, 2007) todas estas tecnologías se fundamentan en el empleo

de aperos que están concebidos para realizar la mayor cantidad de labores en una sola pasada. Los

mismos han encontrado aplicaciones tanto en la agricultura cañera como en la no cañera, aunque

han hallado sus mayores aplicaciones en la primera. En la mayoría de los casos se emplean

escarificadores alados que están concebidos para que realicen el corte horizontal de las capas de

suelo. Este tipo de laboreo favorece la mejora de las propiedades físico-mecánicas y la fertilidad

de los suelos, contribuyendo al incremento de los rendimientos agrícolas.

En el ámbito mundial las nuevas tendencias en el diseño y construcción de aperos de labranza

apuntan al desarrollo de órganos de trabajo del tipo escarificadores que posibilitan el corte vertical

y horizontal del suelo, es decir pueden o no estar dotados de saetas laterales (Deere, 2013; Case,

2013; Agromet, 2013 y New Holland, 2013). Estos órganos escarificadores se soportan por brazos

rectos, curvos, e inclinados indistintamente. Su geometría está en dependencia de concepciones del

diseño del fabricante, del tipo de labor a realizar y de las condiciones del suelo a laborar, aunque

se conoce que los órganos que poseen brazos curvos consumen menos energía que los que poseen

brazos rectos.

El desarrollo de las tecnologías de labranza conservacionista en el ámbito internacional ha

propiciado la introducción de un nuevo apero con características especiales en sus órganos de

Introducción


trabajo, denominado Partill o Paraplow. Los mismos están dotados de brazos curvos o inclinados

que garantizan el corte del suelo de una forma natural y sin la necesidad de inversión del prisma.

Este apero combina las cualidades más deseadas de los arados de vertederas en cuanto a la

mullisión o fragmentación del suelo, con las ventajas que poseen los órganos escarificadores de la

no inversión del prisma de suelo y la reducción de la compactación producto de las presiones

verticales que ejerce el órgano de trabajo sobre el suelo. Dentro de las ventajas de este apero se

debe señalar que los mismos son capaces de descompactar el suelo sin destruir su estructura,

levantar y fracturar el suelo a lo largo de sus planos naturales de falla, evitan las mezclas de la capa

superficial con el subsuelo, reduce el número de terrones, entierran los residuos de cosechas

anteriores lo cual es de gran importancia para la labranza conservacionista del suelo (Bigham &

Brothers Co, 2008). Contribuyen además a la infiltración y absorción del agua en el suelo, estimula

el desarrollo de las raíces y permite la colocación de fertilizantes en zonas más profundas.

Tomando en cuenta la problemática planteada y la necesidad que tiene el sector cañero cubano de

seguir desarrollando e introduciendo nuevos aperos de labranza que posibiliten el desarrollo de

variantes tecnológicas, así como que en Cuba no se han introducido aperos con órganos de trabajo

del tipo Paratill el problema científico de la presente investigación se define como:

Problema Científico

¿Cuáles son los parámetros de diseño de un apero para la labranza conservacionista de suelos

destinados a la caña de azúcar que convine las características del Paratill y los Escarificadores

alados?

Objeto de estudio

Los aperos para la labranza de suelos cañeros.

Introducción


Hipótesis:

El conocimiento de las propiedades físico-mecánicas de los principales suelos agrícolas cubanos,

las características del perfil del suelo a laborar, así como la combinación de órganos del tipo

escarificadores alados y Paratill, permitirá desarrollar un nuevo apero para la labranza

conservacionista de los suelos cañeros, capaz de cumplir con las exigencias agrotécnicas del

cultivo, requisitos de calidad de la labor y factibilidad económica.

Objetivo General:

Fundamentar los parámetros de diseño de un nuevo apero para la labranza conservacionista de los

suelos dedicados al cultivo de la caña de azúcar.

Objetivos Específicos:

1. Caracterizar las zonas objeto de estudio;

2. Determinar la geometría del perfil del suelo en los campos de caña plantados en surco listos

para demoler;

3. Fundamentar teóricamente la estructura y composición del nuevo apero;

4. Determinar los parámetros de diseño del nuevo apero;

5. Analizar la factibilidad económica del nuevo apero;

Introducción


Fig. 1 Esquema lógico estructural de la investigación

Capítulo I. Situación Actual del Tema Objeto de Estudio

Tesis Maestría. Maykel Cruz Díaz (2014). Fundamentación de los parámetros de diseño de un nuevo apero…

CAPITULO I

SITUACIÓN ACTUAL DEL TEMA OBJETO DE INVESTIGACIÓN

La preparación o laboreo de suelos, es un conjunto de operaciones que se realizan con equipos

mecánicos, con el fin de darle al suelo las condiciones óptimas para que puedan germinar las

semillas y propiciar el posterior desarrollo de las plantas, restableciéndole al mismo las apropiadas

condiciones físicas, biológicas, químicas, hidrofísicas y físico-mecánicas, logrando así un mejor

desarrollo de las semillas y de las plantas cultivadas. Según Leyva (2009), aproximadamente el

50% del costo de producción agrícola y el 60% del gasto total de energía, corresponden a las labores

de preparación o labranza, demandándose máquinas que lo simplifiquen y eleven la productividad

(Álvarez, 2000; Leyva, 2009; Betancourt et al., 2010a; Friedrich, 2013).

La FAO (1997), plantea que no existe ningún apero que cree una estructura estable del suelo, la

labranza mecanizada solo puede destruirla por lo tanto se necesita un nuevo concepto para la

labranza de suelos agrícolas, sobre todo conocimientos profundos sobre la forma de intervención

de cada uno de los equipos y aperos utilizados (Rubert, 2007; Friedrich, 2013). La degradación de

los suelos, destruye en poco tiempo un recurso que la naturaleza tardó miles de años en formarlo,

pues radica en el quebranto de sus propiedades físicas, químicas y biológicas, lo que imposibilita

o restringe el buen desarrollo de los cultivos y la obtención de cosechas más productivas. Por otra

parte la compactación, ocasionada entre otras causas, por el excesivo laboreo, es de las principales

causantes de la degradación física. Un suelo degradado, pierde la capacidad



de producción y demanda mayor cantidad de fertilizantes para producir cosechas inferiores a las

que se obtendría en un suelo no degradado (Zinck, 2005; Ferrer, 2007; Barahona, 2007 ; Leyva,

2009; Olivet, 2010)

Desde hace mucho tiempo el hombre fue creando instrumentos y herramientas que le permitieran

trabajar el suelo, aligerar el esfuerzo, obtener mejores rendimientos. A medida que fue pasando el

tiempo estas herramientas se fueron agrupando formando las tecnologías empleadas en el laboreo

del suelo.

1.1 Tecnologías mecanizadas empleadas en la labranza de suelos

Actualmente en el mundo se emplean varias tecnologías de preparación de suelos, las cuales

comprenden desde el laboreo total hasta la labranza cero o siembra directa, aunque la tendencia

fundamental está dirigida hacia la labranza donde se garantice no invertir el prisma, mantener una

adecuada cobertura de paja y la remoción de la menor área de suelo posible. Cada una de estas

tecnologías se soporta en el empleo de un determinado equipamiento tecnológico específico, que

posee características particulares en función de la labor a realizar y la variante tecnológica

empleada.

Tecnología de labranza convencional o tradicional. Se fundamenta en el laboreo total del suelo

con aperos que basan su funcionamiento en el principio de la inversión total o parcial del prisma,

con el objetivo de descompactarlo, airearlo y mezclar los restos o residuos de cosecha. Esto facilita

el ingreso de agua, la mineralización de nutrientes y la reducción de plagas animales y vegetales

en la superficie. El mismo, en un principio contaba con un gran número de operaciones y con un

periodo de preparación entre los 90 y 100 días, basándose en la utilización de aperos que favorecen

la mullisión intensiva del suelo, tales como arados y gradas de discos, y un período de tiempo entre

cada labor que oscilaba entre los 10 a 25 días, lo cual justifica su prolongado período de duración.



Con este método, también se reducía rápidamente la cobertura de la superficie del suelo, se aceleran

los procesos de degradación de la materia orgánica y aumentan los riesgos de erosión, así como el

daño a la flora microbiana del suelo. Con el tiempo aparecieron modificaciones que tenían como

fin aligerar este proceso, disminuyendo la cantidad de operaciones a realizar y el tiempo entre una

y otra. En la actualidad cuenta solamente con un total de 5 a 7 labores que se realizan en un período

que oscila entre los 25 a 45 días, los cuales aún son excesivos (Betancourt et al., 2007; Rubert,

2007; Betancourt et al., 2008; Betancourt et al., 2009; Leyva, 2009; Parra, 2009; Betancourt et al.,

2010a; Friedrich, 2013)

Tecnologías de agricultura de conservación. La denominación genérica de “Agricultura de

Conservación” agrupa todas las técnicas de manejo de suelo, que pretenden reducir e incluso

convertir en cero el impacto que el laboreo intensivo tiene en la fertilidad del mismo, así como su

impacto ambiental. Hay que destacar en estos términos no se debe hablar de “Labranza de

Conservación o Laboreo de Conservación” ya que según los términos de agricultura de

conservación, la ideología está encaminada a no labrar el suelo lo que se conoce como labranza

cero, entonces hablar de estos términos se convierte en una contradicción. Desde el punto de vista

de la fertilidad, las distintas técnicas de agricultura de conservación fundamentan la necesidad de

la presencia de los residuos de los cultivos, los cuales pasan a tener la doble consideración de aporte

orgánico y barrera física protectora. Es por eso que este tipo de agricultura tiene como objetivo el

simplificar al máximo las intervenciones mecánicas que alteran físicamente el suelo dejándolo

disgregado y desnudo, procurando por el contrario conseguir una homogénea distribución de

residuos vegetales en su superficie. (Betancourt et al., 2007; Betancourt et al., 2008; Betancourt et

al., 2009; Leyva, 2009; Betancourt et al., 2010b; Friedrich, 2013).



En general, se identifican tres grupos de tecnologías de labranza que se pueden definir como

conservacionistas y que dejan la superficie del suelo no labrada y cubierta de los residuos de

cosecha, las mismas son: labranza reducida, labranza mínima, labranza cero (o siembra directa).

La labranza reducida, consiste en la reducción del número de operaciones durante el laboreo, con

respecto a la labranza convencional. De esta manera se propicia que quede una determinada

cantidad de rastrojo o restos de cosecha sobre la superficie, siempre y cuando no se invierta el

prisma del suelo de modo tal que se entierren o mezclen los residuos con la masa de suelo (Bouza,

2003; Agrisem, 2006; Aguilera, 2007; Olivet, 2010)

La labranza mínima, en su concepción general se basa en la reducción del número de labores lo

cual posibilita que se acorten los plazos de ejecución de cada labor y se incida menos sobre el suelo.

Esta tecnología está respaldada por el empleo de aperos capaces de realizar más de una labor al

unísono, eliminando la inversión del prisma del suelo. Las labores se pueden combinar con el uso

previo de herbicidas para la eliminación y secado de cultivos precedentes o restos de cosecha.

Propicia además la aireación del suelo, con un menor mezclado de los restos de cosecha con el

suelo, y sobre todo se evita su inversión Actualmente es muy utilizada pues la misma al introducir

el menor número de equipos durante el laboreo propicia una menor alteración de las propiedades

hidrofísicas, químicas y biológicas del suelo. En sentido general quedan más residuos vegetales en

la superficie del suelo, por tanto el riesgo de erosión es menor (González, 2003; Alt, 2005;

Aguilera, 2007; Betancourt et al., 2010a).

La Labranza cero o siembra directa, como tecnología se fundamenta en la no labranza de la

superficie del suelo, pues se siembra directamente depositando la semilla tras un corte del suelo a

las profundidades requeridas por el cultivo. Por lo general se emplean máquinas equipadas con una

cuchilla que puede ser un disco circular o zapata de corte. Estos discos también tienen como función



el corte de los restos de cosecha, de forma tal que no penetren en la hendidura o cavidad donde se

va a colocar la semilla (Silveira, 2007; Friedrich, 2013). Posteriormente se tapa la semilla y una

rueda compacta el lecho de siembra para permitir su contacto con el suelo húmedo. Esta tecnología

exige conservar la cobertura vegetal del suelo, la cual en mucho de los casos se controla con

herbicidas antes de la siembra, o mediante el pase de un rodillo que compacta los restos de cosecha

para acelerar su secado (Derpsch et al., 2000). De igual forma se requiere fertilizar debido a que la

mineralización natural de los nutrientes del suelo se torna muy lenta.

Actualmente la mayoría de los países están apostando a la labranza conservacionista de suelos,

pues la misma se sustenta en principios establecidos en función de cuidar o conservar el suelo como

su nombre lo indica.

Los principios en que sustenta la agricultura conservacionista de suelos según Silveira (2007) y

Friedrich (2013) son:

• No inversión del prisma del suelo.

• Mínima alteración mecánica del suelo.

• Cobertura permanente del suelo, especialmente por residuos de cultivos.

• Rotación de cultivos.

• Disturbio mínimo de suelo en forma continua. (Se traduce a labranza cero permanente, o

labranza en fajas (disturbio <15cm/25%)) Cobertura orgánica permanente del suelo con

rastrojos. (no menos del 30% y hasta un 100%).

• Diversificación de especies cultivadas en secuencia o asociación. Rotación o asociación de

cultivos (tres o más especies diferentes).

En la tabla 1.1 se manifiestan las principales ventajas y desventajas de esta tecnología.



Tabla 1.1 Principales ventajas y desventajas de las tecnologías de labranza conservacionistas

Ventajas Desventajas

• Evita la erosión hídrica y eólica del suelo

• Disminuye la evaporación directa del

agua desde el suelo

• Mejora la macro porosidad del suelo

• Mejora la estructura y estabilidad de los

agregados del suelo, no genera costra

• Aumenta el contenido de Materia

Orgánica (Mo) y mejora la disponibilidad

de nutrientes en un (10%)

• Aumenta la capacidad de infiltración y el

contenido de humedad del suelo

• Aumenta la actividad biológica del suelo

• Aumento de los rendimientos y la

producción

• Menos uso de fertilizante y plaguicidas

(<50%)

• Menos costo de maquinaria y mano de

obra (<70%)

• Mayor rentabilidad

• Rendimientos más estables

• Menos impacto climático (sequía,

inundación, calor, frío)

• Menos costos ambientales (agua,

infraestructura)

• Tasas de descomposición de los rastrojos

más bajas

• La presencia de rastrojo puede reducir

también la efectividad del control de

algunas malezas

• El ambiente generado por los rastrojos en

superficie puede ser favorable para la

perduración de algunas plagas, tanto

animales como patógenas

• Menor calentamiento del suelo lo cual

puede provocar algunos problemas en la

implantación y desarrollo inicial de

algunos cultivos

• El uso continuado de la siembra directa,

puede provocar algunos problemas de

compactación durante el tráfico de las

máquinas e implementos por el interior

del campo

En Cuba ha sido muy empleada la tecnología de labranza tradicional, la cual en la actualidad aún

se sigue empleando, sin embargo en las últimas décadas del siglo pasado y en los inicios del

presente se han desarrollado varias tecnologías de Agricultura Conservacionista de suelos,

fundamentalmente para el cultivo de la caña de azúcar.

1.2 Tecnologías de labranzas contemporáneas en Cuba

Según Leyva (2004); Silveira (2007) y Leyva (2009) las formas en que se prepara el suelo en

Cuba, se agrupan en tres tecnologías básicas, que son:



Laboreo Tradicional con inversión del prisma. Implica labrar el suelo en toda su superficie con

arados y gradas, en pasadas independientes para cada apero, con el propósito de crear las

condiciones propicias para el desarrollo radical de los cultivos, a la profundidad necesaria para la

siembra.

La primera de estas acciones, para preparar en profundidad el suelo con arados se conoce con el

nombre de labranza primaria, y la segunda para el establecimiento de las semillas, se denomina

labranza secundaria. La misma se realiza usando arados de discos o vertederas, así como

subsoladores y gradas, tirados ya se con tractores pesados, medianos o ligeros.

Esta tecnología se caracteriza por tener una duración teórica de 90 a 100 días desde la primera labor

de aradura hasta el momento de la plantación o siembra y comprende por lo general nueve o más

labores.

Laboreo Mínimo sin inversión del prisma. En Cuba las principales aplicaciones de estos sistemas

de labranza se han basado en las tecnologías desarrolladas por el antiguo Institutito de

Investigaciones de la Maquinaria Agrícola (IIMA) actualmente Instituto de Investigaciones de

Ingeniería Agrícola (IAgric), con aplicaciones en la agricultura cañera y no cañera. La tecnología

desarrollada por el Instituto Nacional de Investigaciones de la Caña de Azúcar (INICA), empleada

específicamente para el laboreo de los suelos cañeros. La tecnología desarrollada por la

Universidad de Granma (UDG) que se apoya en el empleo de una máquina Multilabradora de

suelos, fundamentalmente de suelos cañeros.

Tecnología desarrollada por el actual IAgric. Su concepción tecnológica de labranza se

fundamenta en el corte horizontal de las capas de suelo mediante el empleo de escarificadores

alados de la familia de los Multiarados (Fig. 1.1). Dichos aperos tienen una gran aceptación pues

los mismos están concebidos para realizar la mayor cantidad de labores en una sola pasada. Los



mismos han encontrado aplicaciones tanto en la agricultura cañera como no cañera (Bouza et al.,

1981; Castro y Ronzoni, 1985; Bouza, 1997; Herrera et al., 2001b; Bouza, 2003; Herrera et al.,

2003; Brizuela Souza, 2004; Herrera, 2006b).

Fig. 1.1. Familia de Multiarados desarrollados por el actual IAgric

De acuerdo al tipo de labor a realizar se conforman variantes con diferentes combinaciones de

partes y piezas dispuestos sobre el bastidor. Esta tecnología contribuye a un manejo más ecológico

y económico de los suelos, disminuye el tiempo total de preparación de 15 a 20 días, ahorra hasta

un 68% del combustible y los salarios, propicia un eficiente control de malezas, y mejora las

características físicas, químicas y biológicas de los suelos (Bouza, 1997; Leyva, 2010).

Tecnología del INICA. Se fundamenta en la utilización de los escarificadores C-101, C-102, C-

304 accionados por tractores de la clase traccional 30 kN (Fig. 1.2). Dichos aperos combinan una

serie de operaciones que permiten realizar simultáneamente el descepe, mullido, descompactación

http://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtml



y surque en un solo pase, reduciendo así el número de pases de la maquinaria por el suelo, lo que

conlleva a una menor compactación del mismo, reducción del tiempo de labor y ahorro de recursos

Esta tecnología se sustenta en el laboreo localizado, el cual constituye una variante de labranza

reducida, o sea, realiza la labranza en franjas para la plantación de la caña de azúcar. En cada

pasada prepara una hilera dejando conformado un surco con las condiciones óptimas para el

desarrollo de la caña de azúcar (Betancourt et al., 2007; Betancourt et al., 2008; Parra, 2009;

Betancourt et al., 2011; Betancourt et al., 2012; Betancourt et al., 2013).

Fig. 1.2. Familia de implementos desarrollados por el INICA

Este tipo de laboreo favorece la mejora de las propiedades físico mecánicas y la fertilidad de los

suelos, lo que permite el incremento de los rendimientos.

Tecnología desarrollada por la Universidad de Granma (UDG). Esta variante se soporta en el

empleo de la Multilabradora UDG-3.2 (Fig. 1.3), máquina combinada que está destinada



fundamentalmente para el laboreo mínimo de los suelos pesados para caña de azúcar, así como,

para la realización de labores de cultivo, tales como la descompactación, escarificado y control de

malezas. También se puede utilizar en el laboreo para la siembra o plantación de otros cultivos

entre hileras como son tabaco, maíz, tomate, etc, (Leyva, 2009).

La Multilabradora es capaz de realizar en una sola operación de manera simultánea el descepe,

mullido, descompactación y surque, pues la misma está compuesta de una serie de órganos

(tambores fresadores, escarificadores vibratorios y surcadores) que trabajan al unísono. Esta

máquina es accionada por un tractor de 30 KN. En cada pasada se preparan dos hileras, dejando

conformados dos surcos, listos para recibir la semilla (Leyva, 2009).

Fig. 1.3. Multilabradora UDG – 3,2 (Leyva, 2009)

Todo lo antes mencionado ha conllevado a que en la actualidad los diseñadores tanto de Cuba como

en el mundo tengan en cuenta una serie de parámetros y características a la hora de realizar los

diseños de los aperos de labranza destinados a la conservación de los suelos agrícolas.



1.3 Características de los órganos de trabajo desarrollados para la agricultura

conservacionista de suelos

Las nuevas tendencias en las tecnologías de preparación de suelos se sustentan en la mayoría de

los casos en el empleo de órganos de corte vertical y horizontal tipo escarificadores, que pueden

poseer o no saetas laterales, (Fig. 1.4). Estos órganos escarificadores se soportan por brazos que

pueden ser rectos, curvos, e inclinados indistintamente. La geometría de los mismos está en

dependencia de concepciones del diseño del fabricante, aunque se conoce que los órganos que

poseen brazos curvos consumen menos energía que los que poseen brazos rectos (Leyva, 2009).

Fig. 1. 4. Órganos de trabajos empleados en las actuales tecnologías de labranza de suelos



Actualmente tanto en Cuba como en el extranjero han tomado mucho auge los aperos que están

provistos de saetas laterales pues los mismos garantizan el corte horizontal del suelo de forma tal

que se alteren lo menos posible las cualidades físicas del suelo, se logre una mayor calidad en la

preparación para la siembra y se disminuyan los riesgos de la conformación de un piso de labor o

aradura. Las dimensiones, geometría y disposición de las saetas están en función de las

características de la labor a realizar, el cultivo a establecer y las condiciones del suelo a laborar.

Con el desarrollo de las tecnologías de labranza conservacionista en el ámbito internacional se ha

desarrollado y generalizado un apero con características especiales en sus órganos de trabajo,

denominado “Partill o Paraplow”. Los mismos están dotados de brazos curvos que garantizan el

corte del suelo de una forma natural y sin la necesidad de inversión (Fig. 1.5). Este apero combina

las bondades de los arados de vertederas en cuanto a la mullisión o fragmentación del suelo, con

las ventajas que poseen los órganos escarificadores de la no inversión del prisma de suelo y

reducción de la compactación producto de las presiones verticales del órgano de trabajo.

Fig. 1.5. Paratill, (Bigham & Brothers Co, 2008)



El Paratill descompacta el suelo sin destruir su estructura, simplemente lo remueve logrando en

mayor medida que no se alteren sus propiedades. Este apero posee un brazo o soporte con un ángulo

de inclinación de aproximadamente 45 grado con respecto a la horizontal que le posibilita levantar

suavemente el suelo y fracturarlo a lo largo de sus planos naturales de falla, dejándolo caer ya

mullido en la posición original. El levantamiento suave del suelo permite no mezclar la capa

superficial con el subsuelo, crear terrones, o enterrar los residuos de cosechas anteriores, lo cual es

de gran importancia para la labranza conservacionista del suelo (Bigham & Brothers Co, 2008).

Esto mejora además la infiltración y absorción del agua, estimula el desarrollo de las raíces y

permite la colocación de fertilizantes en zonas más profundas (Leyva, 2010; López, 2012).

Dentro de la concepción de los aperos se ha tenido en cuenta también el fenómeno del desgaste de

sus elementos estructurales para lo cual se le ha concebido la colocación de elementos de recambio

que protegen las principales partes del órgano de trabajo que entran en contacto con el suelo y se

exponen al desgaste abrasivo (Herrera et al., 2008a). Las ventajas que posee este nuevo apero se

resumen en la tabla 1.2.



Tabla 1.2. Ventajas de los órganos de trabajo tipo Paratill

A pesar de las ventajas mostradas por estos órganos de trabajo en Cuba aún no se ha desarrollado

ninguna tecnología de labranza que incluya aperos con órganos de trabajo que posean

características similares a los Paratill.

1.4 Propiedades dinámicas del suelo requeridas para el diseño de los órganos de trabajo de

los aperos de labranza

Para comprender el sentido mecánico de los procesos que tienen lugar en el suelo bajo la acción de

los órganos de trabajo de las máquinas e implementos de labranza, es necesario estudiar



primeramente sus propiedades dinámicas. Las mismas son expresadas a través de su movimiento,

como el resultado de la aplicación de las fuerzas externas. El objetivo de la labranza puede ser

alcanzado solamente por la aplicación de fuerzas sobre el suelo por los implementos de labranza.

En el ámbito internacional se han estudiado ampliamente estas propiedades, mostrando como

principales resultados que la respuesta mecánica del suelo está definida por las condiciones de

humedad y densidad del suelo, pues un aumento de la humedad del suelo conlleva a la disminución

de la resistencia mecánica del mismo, ocurriendo el caso contrario para la densidad aparente, pues

cuanto más compacto esté el suelo mayor resistencia mecánica exhibirá el mismo (Herrera et al.,

2001a; Herrera et al., 2001b; Herrera et al., 2008b; Herrera et al., 2013).

De igual forma el tipo de suelo tiene gran incidencia en su respuesta mecánica, pues se ha

demostrado que los suelos arcillosos poseen una mayor cohesión que los arenosos, sin embargo

estos últimos exhiben una mayor fricción interna (Tabla. 1.3).

Tabla 1.3. Valores de la cohesión y ángulo de fricción interna para diferentes suelos (Ortiz, 1994)

Tipo de suelo Estado Cohesión

kPa

Angulo de fricción

interna

grado

Arena gruesa Compactado inapreciable 35 a 40

Disgregado 30 a 35

Arenoso Compactado inapreciable 25 a 32

Disgregado 18 a 22

Franco arenoso Desmenuzable 20 a 25 24 a 28

Plástico 10 a 18 22 a 26

Franco Desmenuzable 25 a 30 20 a 25


Arcilloso Desmenuzable 40 a 70 17 a 19


En Cuba se han investigado ampliamente estas propiedades observándose los efectos anteriormente

descritos de disminución de la resistencia mecánica del suelo ante los cambios de la humedad y la



densidad del mismo (Pérez de Corcho et al., 2004; Herrera, 2006a; de La Rosa et al., 2011; López

et al., 2012b; de La Rosa y Herrera, 2013; Sánchez et al., 2013). Estas investigaciones han

permitido conocer la magnitud de las propiedades físico-mecánicas de algunos suelos agrícolas

cubanos que se muestran en la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Propiedades Físico-Mecánicas de algunos suelos de Cuba

Hay otro grupo de propiedades que se ponen de manifiesto una vez que el suelo comienza a

deslizarse sobre la superficie del apero o herramienta de labranza, siendo la fricción externa, la

adherencia, y la tensión que se opone al deslizamiento del suelo sobre la herramienta de labranza.

En Cuba también se han realizado un gran número de investigaciones que han posibilitado conocer

estas propiedades (Herrera et al., 2008a; Sánchez et al., 2010; López, 2012; López et al., 2012a),

los principales resultados se muestran en la tabla 1.5, demostrándose que los suelos arcillosos

poseen una mayor resistencia al deslizamiento sobre la superficie del apero y que la misma está

dada por las condiciones de humedad y densidad del suelo.

Tabla 1.5 Propiedades macroestructurales de algunos suelos en Cuba relacionadas con la interface

suelo-herramienta



Tipo de suelo Ubicación

Resistencia al

deslizamiento del

suelo sobre el metal

(τa) kPa

ángulo de fricción

externa (d)

grado

Adhesión del

suelo (Ca)

kPa

Oxisol Mayabeque 29 a 78 ---------- 2 a 23

Ultrasol Manacas, Villa

Clara 5,76 a 9,16 12,96 a 26,97 5,76 a 9,16

Vertisol Costa norte de Villa

Clara 8 a 19,34 2 a 12 1 a 11

El resultado de las investigaciones desarrolladas sobre este tema en Cuba ha permitido la creación

de modelos matemáticos que permiten estimar los valores de estas propiedades con respecto al

estado de humedad y densidad del suelo, siendo los desarrollados por Herrera et al. (2008a); De

La Rosa (2011) y Herrera et al. (2013).

1.5 Análisis de las investigaciones realizadas sobre la temática objeto de estudio en Cuba

En el ámbito internacional se han desarrollado un gran número de investigaciones que relacionan

la necesidad de emplear tecnologías encaminadas a la labranza conservacionista de los suelos

agrícolas, principalmente los destinados al cultivo de la caña de azúcar. Su principal objetivo se

centra en la protección del medio natural, mediante la eliminación del número de labres de

preparación de suelo para alterar en la menor medida posible la estructura del mismo. Es por eso

que se reporta un alto número de investigaciones encaminadas al diseño de aperos para la labranza

de suelos destinados a la producción de la caña de azúcar.

Tomando en cuenta que el sistema radical de la caña de azúcar es un sistema de raíces desarrollado,

activo y profundo; conformado por muchas raíces distribuidas espacialmente (Fig. 1.6a), en un

radio de unos 30 cm a partir del tallo primario y más de l85% de éstas crece en los primeros 60 cm

de profundidad, mientras que el 50 a 82 % lo hace entre los 20 a 40 cm, el mejor desarrollo y

distribución se logra con una proporción entre las fases del suelo próxima a la ideal (Fig. 1.6b). La



profundidad de labranza debe ser 30 a 40 cm, para un crecimiento rápido y profundo de la raíz. Las

condiciones físicas del suelo influyen en el crecimiento y distribución de las raíces, resultando su

número inversamente proporcional a la densidad aparente de éste (Leyva, 2009).

Fig. 1.6. a). Distribución del sistema radical de la caña de azúcar en un suelo preparado hasta la

profundidad requerida; b). Proporción ideal entre las fases del suelo; tomada de Leyva (2009)

Bouza et al. (1981), fundamentó su tecnología en la utilización de los escarificadores alados del

tipo multiarados dentro de los cuales se encuentran el MAU-140; MAU-160; MAU-250 y el MAU-

580 (Fig. 1.1), con la que perseguían realizar la mayor parte de las labores de labranza del suelo y

de cultivo en la caña de azúcar. De acuerdo al tipo de labor en que se utilizan estos implementos

se pueden lograr diferentes combinaciones de partes y piezas. Posteriormente en el 2003 el propio

autor difundió con mayor fuerza el uso del M-250 en la agricultura cañera, apero al cual se le

puede variar el ancho de trabajo de acuerdo al tipo de labor, a la dureza del suelo y a la potencia de

la fuente de tracción utilizada (Tabla 1.6) (Bouza, 2003).

Tabla 1.6 Características generales para el trabajo con el M-250



Labor Ancho

(m)

Profundidad

(m)

Potencia

tractor (HP)

Productividad

ha/h

Aradura al hilo o descepe 0,16 0,10-0,15 75 0,75

Aradura, cruce y alistamiento 0,25 0,15-0,25 75-90 1,00

Surcado 0,32 0,25-0,35 75-90 1,20

Cultivo profundo estrecho 0,16 0,25-0,35 75 0,50

Cultivo profundo ancho y

subsolación

0,32 0,35-0,45 90-120 0,50

Cultivo vertical-horizontal o de

deshierbe en caña planta y

retoños

0,32 0,10-0,15 75 1,30

Dentro de los principales resultados alcanzados por los autores (Bouza, 2003; Velarde y Córdoba,

2004; Leyva, 2009; Albóniga et al., 2011; Betancourt et al., 2013), se desprende que las tecnologías

sin inversión del prisma del suelo permiten aumentar la productividad en las labores de descepado,

cruce, surcado y cultivo, reduciendo los costos de producción, además se disminuyen el tiempo

total de preparación del suelo de 15 a 20 días, plazo más breve que con el laboreo tradicional (de

45 a 60 días) permitiendo un mejor aprovechamiento de la fertilidad del suelo, ya que son prácticas

conservacionistas que protegen el suelo de los agentes degradantes. También se puede aumentar el

volumen de tierras laboradas y disminuir las necesidades de equipos e implementos obteniéndose

un ahorro de combustible que osciló de un 33 a un 58% de lo que se consume con la tecnología

tradicional, generando un ahorro aproximado de 2 402 t de combustible diésel en al año,

equivalente aproximadamente a 6,36 y 11,14 USD/ha. Asimismo se redujeron los costos totales de

laboreo del suelo de un 49 a 67%, con un efecto económico de 16,09 pesos/ha (Bouza, 2003).

Velarde y Córdoba (2004), basan sus investigaciones en la utilización de los escarificadores alados,

dispuestos de manera escalonada. Dichos autores expusieron que el escarificador C-101 presentó

una serie de inconvenientes en cuanto al mullido del suelo y el perfilado del surco, ya que no es



capaz de dejar en un solo pase el terreno listo para la plantación, esto ocurrió principalmente en los

suelos del tipo Vertisol, ya que son muy plásticos y se requiere más de un pase para garantizar el

correcto desmenuzado del suelo. En ocasiones se hace necesaria la intervención de la grada para

contribuir al mullido del suelo.

Esta problemática dio lugar al surgimiento del C-101VXC (Fig. 1.7 a), el cual cuenta con cuatro

brazos escarificadores situados a una profundidad h de 0.07 m unos con respecto a los otros.

Según Velarde y Córdoba (2004), estas modificaciones se realizaron con el objetivo de:

• Incrementar la mullisión en el escarificado a partir de realizar el corte multiescalonado del

suelo;

• Lograr un aumento en la cobertura de rastrojos después del escarificado y el surcado;

• Reducir el ancho de la zona promovida por los escarificadores y del surco elaborado en la

operación final;

• Analizar la posibilidad de lograr surcos de paredes más próximas a la vertical y una base más

ancha;

Fig. 1.7 a) Escarificador C-101VXC para laboreo en bandas b) Área de la sección de suelo cortada

(Velarde y Córdoba, 2004)



Para dar cumplimiento a sus objetivos, evaluaron tres parámetros de salida fundamentales:

• Mullisión, considerando como indicador el por ciento de partículas menor de 0,005 m (Fig.

1.7 b);

• Forma del surco, considerando como indicadores el ángulo ψ1 tomado en diferentes puntos de

la pared y el perfil del surco a partir de puntos tomados en 5 niveles;

En la tabla 1.7 se muestran los principales resultados de los indicadores de trabajo obtenidos por

Velarde y Córdoba (2004).

Tabla 1.7 Resultados de los indicadores de trabajo del C-101VC creado por Velarde y Córdoba

(2004)

Indicadores Valor

Velocidad, (Km/h) 5 a 7

Ancho de trabajo efectivo 1 hilera

Profundidad de trabajo en preparación de suelos

combinada con surcado en un pase, (m)

0,25 a 0,29

Profundidad de trabajo en tecnología de

preparación y surcado en dos pases, (m)

0,28 a 0,32

Ángulo ψ1en la porción media del surco, (grado) 53,47

Ángulo ψ1, a la salida del surco, (grado) 27

Mullisión, en % de terrones, donde φ>0,005 m,

colocados en el fondo del surco

85 a 95, (en dos pases

de 90 a 95%)

Estos resultados posibilitaron obtener una sección de surco abierto o de zona de deformación del

suelo con un ángulo de talud variable, cuyo valor medio superó el de los equipos tradicionales,

permitiendo trazarse un esquema de surco con una base superior a la de los equipos convencionales

en más de 0,15 m sin alterar los marcos actuales de siembra (Fig. 1.8), lo que permite separar las

dos hileras de trozos, que se colocan al fondo de los mismos. Además el corte multiescalonado de



capas de suelo con un espesor no mayor de 0,70 m permite obtener una correcta mullisión del

terreno en sólo una o dos operaciones.

Fig. 1.8 Perfiles de los surcos obtenidos por Velarde y Córdoba (2004)

Posteriormente Leyva (2009), propone el diseño de una máquina compleja de laboreo mínimo del

suelo basada en el uso de los escarificadores vibratorios y fresadoras agrícolas. La máquina se

diseñó para la preparación de suelos y las atenciones culturales de la caña de azúcar

fundamentalmente, aunque puede emplearse también en otros cultivos de hileras como el tabaco,

maíz y el tomate. En este implemento se combinan varias labores, para garantizar dejar con un solo

pase el suelo listo para depositar la semilla de caña. Finalmente Leyva (2009), experimentó con

diferentes configuraciones de los órganos de trabajo, en las cuales varió el orden de los órganos

escarificadores y fresadores, en variantes en las que se presentó delante el órgano escarificador y

en otras el fresador, con el objetivo de determinar en cuál de los casos el apero demanda menos

potencia, asimismo considero variables en las que varió el sentido de giro del órgano fresador,

aplicando opciones con giro en el sentido del movimiento del agregado y en el sentido contrario,

determinando finalmente como mejor opción la composición del apero manteniendo en primer

lugar el órgano fresador, con giro en sentido al movimiento del agregado, el órgano escarificador

y por último el surcador.



Posteriormente Betancourt e iglesias (2011), introducen el escarificador desarrollado por el IAgric

C-101, al cual se le colocó un tercer órgano escarificador que se encuentran colocados en tándem

y se cambió el tamaño de las saetas para lograr un mejor mullido del suelo, así como una mayor

área de labranza (Fig. 1.9).

Fig. 1.9 Partes componentes fundamentales del C-101M (Betancourt et al., 2013)

El paso inicial para el desarrollo de esta investigación se enfocó en la determinación de las

dimensiones del perfil de suelo en los campos de cañas en demolición y plantados en superficie

acanteradas de la zona norte de la provincia de Villa Clara, se determinó el ancho de la zona a

laborar, a partir de lo cual se estableció el ancho de las saetas mediante la ecuación:

Los principales parámetros de diseño del C-101M se muestran en la tabla 1.8



Tabla 1.8 Parámetros de diseño de las saetas del C-101M Betancourt et al. (2013)

Los resultados obtenidos por Betancourt et al. (2013), permiten apreciar que la fragmentación del

suelo luego de utilizar el apero modificado con órganos escarificadores en tándem a 0,10 m de

profundidad no alcanza diferencias significativas con respecto a las de 0,07 y 0,13 m en la labranza

primaria localizada de superficies acantaradas.

Posteriormente Albóniga (2014) Evaluó en condiciones de laboratorio la calidad de labor de cuatro

órganos escarificadores colocados de forma escalonada con ancho de trabajo decreciente, la

investigación experimental se realizó en el Laboratorio Canal de Suelo del Centro de Mecanización

Agropecuaria (CEMA), el mismo utilizó una maqueta experimental del C-101XV a escala 1:2, con

cuatro órganos escarificadores consecutivos variando escalonadamente la profundidad de

trabajo, pero disminuyendo el ancho de las cuchillas laterales en función de la profundidad (Fig.

1.9). Sus principales parámetros constructivos objeto de estudio se exponen en la Tabla 1.



Fig. 1.9 Esquema de la maqueta experimental: a). Vista lateral; b). Vista superior (Albóniga,

2014)

Los principales parámetros constructivos que contempló Albóniga (2014) para la maqueta

experimental se muestran en la tabla 1.9.

Tabla 1.9 Parámetros constructivos de la maqueta experimental (Albóniga, 2014)

Brazo Ancho de trabajo

(m)

Profundidad de trabajo

(m)

Distancia entre órganos

(m)

1 0,365 0,038

0,248 2 0,310 0,075

3 0,265 0,113

4 0,220 0,150

Dentro de los principales resultados obtenidos por Albóniga (2014) se encuentran, que la mullisión

obtenida con la maqueta experimental en condiciones de laboratorios, es muy favorable

ecológicamente, porque creó condiciones que favorecen la siembra y desarrollo de la caña de

azúcar, lo que permite conservar el suelo y mejorar sus propiedades físico-químicas; la geometría

del perfil de suelo labrado que se obtuvo satisfizo los parámetros exigidos por la norma cubana

NRAG-047: 1978 y el Instructivo Técnico del INICA, (2007) para la plantación de la caña



de azúcar; los resultados que se obtuvieron permiten el diseño y construcción de un prototipo

experimental para la preparación del suelo en franja para la plantación de la caña de azúcar.

1.6 Conclusiones Parciales del Capítulo

1. En el ámbito internacional la tendencia tecnológica para el laboreo del suelo se orienta hacia

la agricultura conservacionista del suelo;

2. En Cuba existen tres variantes tecnológicas de laboreo mínimo, las cuales incorporan aperos

con órganos de trabajo del tipo escarificadores alados;

3. A pesar de las ventajas y la utilización que ha tenido en el ámbito internacional el Partill dentro

de las tecnologías de labranza conservacionista, en Cuba aún no se ha desarrollado un apero

con estas características;

4. En Cuba se han desarrollado una gran número de investigaciones que han posibilitado conocer

la magnitud de las propiedades físico-mecánicas de los principales suelos agrícolas, que se

emplean en el diseño de los órganos de trabajo de los aperos de labranza;

Capítulo II. Programa y Metodología de las Investigaciones Experimentales


CAPITULO II

PROGRAMA Y METODOLOGÍA DE LAS INVESTIGACIONES

EXPERIMENTALES

2.1 Programa de las investigaciones experimentales

El programa de las investigaciones experimentales (Tabla 2.1), muestran las etapas en que se

ejecutó la presente investigación; la misma fue desarrollada en diferentes áreas de Unidades

Empresariales de Base destinadas a la caña de azúcar (UEB) de la Provincia de Villa Clara:

• Campo 1 Bloque 77 de la Unidad Básica de Producción Cooperativa (UBPC) “1ro de Mayo”

de la UEB Héctor Rodríguez del municipio Cifuentes;

• Campos 1 y 2 del bloque 627 de la (UBPC) “Carlos Manuel de Céspedes” perteneciente a la

(UEB) Efraín Alfonso ubicada en el municipio de Ranchuelo

• Campo 81, bloque 73 de la (UBPC) “José Arcadio García” que pertenece a la (UEB) Abel

Santamaría Cuadrado, ubicada en el municipio de Encrucijada.

Se seleccionaron estas zonas porque son áreas en las que la caña de azúcar no se planta en canteros

como ocurre en la zona norte de la provincia (costa) donde ya se realizaron investigaciones

precedentes para caracterizar las dimensiones de los canteros en los campos en demolición

(Betancourt, 2011). En las zonas seleccionadas la caña se planta en la base de los surcos o lo que

es lo mismo se emplea el sistema de plantación tradicional.



Tabla 2.1. Programa general de las investigaciones experimentales

Tarea Objeto de estudio Aspectos a analizar Lugar

1 1. Determinación de las

condiciones naturales

del área experimental

2. Caracterización del

perfil del suelo en los

campos de caña que

serán demolidos

1. Caracterización del medio

natural

2. Caracterización de los

campos de caña en

demolición

3. Medición del perfil del

suelo en los campos de

caña que serán demolidos

4. Determinación de la

geometría del perfil del

suelo aplicando el método

de tratamiento de

imágenes digitales,

conjunto al método

tradicional de varillas

5. Determinación del perfil

estadístico del suelo

1. UEB “Héctor

Rodriguez”

2. UEB “Abel

Santamaría”

3. UEB “Efrain

Alfonso”

2.2 Metodología para el desarrollo de las investigaciones experimentales

Todas las áreas seleccionadas para la experimentación fueron campos de caña listos para demoler,

ya que en estos son los que más se someten a la labranza una vez que han sido cortados.

Para la adquisición de los datos se utilizó un perfilómetro tradicional de varillas, desarrollado en el

departamento de Ingeniería Agrícola de la universidad central “Marta Abreu” de Las Villas (uclv)

junto a un novedoso método de tratamiento de imágenes digitales, también creado en dicho

departamento. Los resultados obtenidos posibilitaron, la obtención del perfil probabilístico y la

caracterización de la geometría del perfil del suelo en los campos de caña que serán demolidos.

2.2.1 Metodología para la caracterización de las condiciones de experimentación

Para la caracterización se siguieron los procedimientos metodológicos establecidos por la Norma

Cubana NC 34-47: 2003. “Máquinas agrícolas y forestales. Metodología para la determinación de



las condiciones de ensayo”. Con la misma se establece la determinación de los siguientes aspectos

que son de interés para la presente investigación:

Tipo de suelo y su denominación: se obtuvieron mediante la consulta de los mapas existentes

en las empresas en las cuales se llevaron a cabo las investigaciones.

Relieve del terreno: se obtuvo mediante la utilización de un Taquímetro DHALTA 010-B

Autorreductor de fabricación Rusa (Fig. 2.1), con el que se determinó la pendiente del terreno

en las áreas experimentales objeto de estudio.

Fig. 2.1 Taquímetro DHALTA 010B con el que se obtuvo el desnivel en las áreas experimentales

2.2.2. Metodología para la determinación de las dimensiones del perfil del suelo

Se determinó mediante la utilización del método de tratamiento de imágenes, mediante el

posprocesamiento de imágenes digitales del perfil del suelo.

Las mediciones se llevaron a cabo en los campos seleccionados, siempre teniendo en cuenta

comenzar a partir del décimo surco contiguo a la guardarraya y a 20 m del borde del campo para

evitar las áreas con mayores afectaciones causadas por el viraje y el tráfico de la maquinaria durante



la cosecha y el cultivo, las mediciones se tomaron en diagonal del campo abarcando toda el área

experimental (Fig. 2.2).

Fig. 2.2 Zonas y métodos de muestreo

Procedimiento para tomar las imágenes digitales del perfil del suelo

Para tomar las imágenes se colocó un fondo (Fig. 2.3) en el centro del surco, previamente limpiando bien

el área para evitar la presencia de residuos de cosecha y malas hierbas en el momento de tomar la imagen

que puedan causar ruidos en el procesamiento de las imágenes.

Las imágenes se tomaron con una cámara digital SONY Syber-chot de 20,1 Mpx la cual se colocó a una

altura de 0,40 m del suelo, a una distancia de 2 m del fondo colocado y en línea recta con el centro del

surco; para homogenizar y evitar que se afecten las imágenes por que quede algún ángulo de la cámara

con respecto al fondo.



Fig. 2.3 Fondo utilizado para la toma de las imágenes en el campo

2.2.3. Metodología para el procesamiento digital de las imágenes tomadas

El procesamiento se desarrolló con el software MATLAB R2013a en una Laptop Dell Inspiron 15,

para lo cual se programó una secuencia de procesos de tratamiento de las imágenes tomadas para

determinar la geometría del perfil del suelo mediante este método el script programado.

Para procesar las imágenes digitales del perfil del suelo que se tomaron en el área experimental,

se realizó un recorte con el software HYPERSNAP-6 partiendo del principio de garantizar la

calidad requerida (Fig. 2.4).

El recorte de la imagen se realizó con el objetivo de simplificar el proceso y disminuir el gasto de

recursos computacionales a la hora de realizar el tratamiento de las mismas en MATLAB. Para



esta operación se utilizó como se dijo anteriormente el software HYPERSNAP 6 mediante el cual

se logra que la imagen conserve la calidad con que fue tomada

Fig. 2.4 Imagen recortada en el software HYPERSNAP 6

Una vez recortada la imagen continúa el procesamiento de la misma, para lo cual se realizó

primeramente el filtrado de la imagen. Este proceso se empleó para reducir el ruido y los bordes

de las mismas y se utilizó un filtro de mediana de 7x7 pixeles (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 Imagen filtrada

Posteriormente la imagen se sometió a un proceso de segmentación o binarización, mediante el

cual la misma fue transformada en una imagen de dos colores identificados, para lograr esto se

utilizó el método de Otsu, con el cual se puede nivelar o convertir una imagen de intensidad

(multicolor), a una imagen binaria (de solo dos colores). El nivel es un valor de intensidad

normalizado que queda en el rango (0, 1). El método funciona escogiendo el umbral para

minimizar la variación de los pixeles negros y blancos (Fig. 2.6).



Fig. 2.6 Imagen binarizada por el método de Otsu

Seguidamente a la imagen binarizada se le realizó una serie de correcciones para garantizar que

no le queden interferencias que obstaculicen el proceso, posteriormente se le efectuó un rellenado

para quitar todos los componentes u objetos menores que los pixeles P que se definan, entonces

se produce otra imagen binaria, predefinida en 8 pixeles para dos dimensiones, 26 pixeles para

tres dimensiones, lo que se pretendió no fue más que rellenar los espacios en blanco que quedaron

en la imagen después de binarizarla (Fig. 2.7).

Fig. 2.7 Imagen rellenada

Una vez que la imagen se rellenó para cubrir los espacios en blanco, se convirtió en un negativo,

los pixeles (0) se convirtieron en (1) y viceversa. Esta función importa del mapa de bits de

Windows (BMP) imágenes que especifican en un valor negativo por la altura de la misma y los

utiliza para indicar la orientación de la imagen (Fig. 2.8).



Fig. 2.8 Imagen en negativo

A pesar de realizadas toda esta serie de procesos a la imagen todavía se encuentra rugosa, lo que interfiere

a la hora de plotear el gráfico, por tanto se realizó un último proceso, con el cual se suavizaron los picos

de la imagen para crear el gráfico. Esto se logró mediante la corrección binaria; de la escala de grises de la

imagen, se pueden realizar múltiples correcciones al mismo tiempo, usando cada elemento de la

estructuración para suavizar los picos (Fig. 2.9).

Fig. 2.9 Imagen erosionada

2.3 Verificación de la exactitud de las mediciones

Para verificar la exactitud de los datos de las mediciones en el área experimental se compararon

los resultados obtenidos mediante el método de tratamiento de imágenes, con el método

tradicional de varillas desarrollado por Wagner y Yiming (1991), para esto se utilizó un

perfilómetro de varillas construido por investigadores del Departamento de Ingeniería Agrícola

de la UCLV, el cual cuenta con dos bases de madera y 62 varillas de 0.50 m x Ø 0.004 m

dispuestas a 0.027 m una de otras montadas en una viga tubular plástica de 0,1 x 0,035 m,



abarcando un ancho total de 1,647 m, para nivelar el perfilómetro en el campo se le colocó la

cápsula de un nivel de burbujas en el centro de la viga (Fig. 2.10).

Fig. 2.10 Perfilómetro utilizado para comprobar la exactitud de los resultados obtenidos con el método

de tratamiento de imágenes

2.4 Metodología para el procesamiento estadístico de los resultados

El procesamiento estadístico de os resultados se realizó con el software STATGRAPHICS

CENTURION XV, para lo cual se realizó un análisis de frecuencias observadas de la altura de la

geometría del surco y se determinó la desviación típica, los estadígrafos descriptivos, la

desviación típica y el histograma de frecuencias, para determinar el perfil probabilístico más

frecuente a encontrar en los campos de caña plantados en surco que serán demolidos.



2.5 Metodología para el cálculo de la demanda tractiva y de potencia del nuevo apero

El cálculo de la demanda traccional de los órganos del nuevo apero se realizó según la formula

racional de Goriachin, (Silveira, 1980),

321 PPPP (2.1)

Donde:

P1; P2; P3-Términos de la formula racional, N.

El término P1, representa la resistencia que ejercen el peso del apero y la fricción de sus órganos

de apoyo. El mismo se determina, como:

GfP 1 (2.2)

Donde:

f - coeficiente de fricción;

G - peso del apero;

El coeficiente f toma como valor promedio de 0,5.

El término P2 expresa la resistencia a la tracción del apero debido a las características del suelo y

magnitud del área cortada. El mismo se determinó, como:

baKP ..2 (2.3)

Donde:

b – Ancho de la capa vegetal, m;

a – Altura de la capa vegetal, m;

K – Coeficiente de resistencia especifica del suelo, kg/m2.

La resistencia a la tracción del arado depende además, de su velocidad de movimiento (V), ya que

la capa o prisma de suelo que es cortado al desplazarse por la superficie de la reja o vertedera es



lanzado con cierta fuerza. Esta resistencia que surge de este desplazamiento (P3) se determina

mediante la siguiente ecuación:

2

3 ... vbaP (2.4)

Donde:

- Coeficiente que depende de la fórmula de la superficie de trabajo del arado y de las

profundidades del suelo. Por datos experimentales este coeficiente se toma entre los límites

= 200 a 500 kgs2/m4.

Sustituyendo las ecuaciones (2.2); (2.3) y (2.4) en (2.1) la fuerza de tiro demandada quedará como:

3.......... VbannbaKGfP (2.5)

La potencia que demandan los órganos de trabajo de los aperos de labranza del tipo escarificadores

se determina, como:

3........ vbavbaKvGfPv (Para 1 cuerpo) (2.6)

3.......... vbanvnbaKvGfPv (Para n cuerpos) (2.7)

El valor de K no depende solamente de las condiciones del suelo, sino también del peso del arado

y de la velocidad de su movimiento. Para los suelos ligeros K se puede tomar igual a 4 000 kg/m2,

para suelos medios de 4 000 a 6 000 kg/m2, y para suelos pesados de 6 000 a 8 000 kg/m2 y más.

2.6 Metodología para el cálculo resistivo del órgano de trabajo del nuevo apero

Para el análisis resistivo del órgano de trabajo del apero se recurrió al empleo del método de

elementos finitos, y se utilizó el Software SOLIDWORKS 2013, así como para la representación

del modelo físico del mismo. El análisis por el método de elementos finitos se realizó a partir del

mallado paramétrico del ensamble. Para esto se emplearon elementos tetraédricos, lineales, sólidos,



definidos por cuatro nodos en las esquinas conectados por seis lados rectos, (Fig. 2.11). El mallado

del ensamble generó 29 111 nodos y 104 174 elementos.

Fig. 2.11 Elementos empleados en la generación de la malla

Las condiciones de fronteras y restricciones establecidas, comprendieron la total eliminación del

desplazamiento y la rotación en los tres ejes (x,z,y) de los tirantes laterales de unión del apero al

tractor, así como del tercer punto, (Fig. 2.12).

Fig. 2.12 Condiciones de fronteras establecidas

De igual forma se consideró que las ruedas de apoyo tienen limitado su movimiento en el eje

transversal al movimiento de avance del apero (eje y). El eje vertical está libre en ambos sentidos

(eje x), y el eje vertical (z) tiene restringido el movimiento en el sentido positivo, o sea no permite

que la rueda se desplace en el sentido de la acción del peso que recae sobre las mismas. Se



particionó la rueda de apoyo de manera tal que se tomó en cuenta el posible hundimiento de las

misma. Es decir, las cargas y restricciones solo actúan en esta porción de la rueda. En este caso se

tomó en cuenta la acción de la reacción de las fuerzas de resistencia a la rodadura de las referidas

ruedas. El valor de esta fuerza ascendió a 0,166 kN (Fig. 2.13).

Fig. 2.13 Restricciones y fuerzas a las que fue sometida la rueda

Para el análisis de la resistencia del apero se consideraron cuatro variantes de estudio, coincidentes

con cuatro situaciones de carga crítica, las cuales son:

1. La acción de las fuerzas es uniforme en cada uno de los órganos de trabajo, o sea sobre ellos

actúan 10 kN (Fig. 2.14);

Fig. 2.14 Colocación de fuerzas para la variante de Análisis I

2. El apero interactúa con un obstáculo; la fuerza de tracción del tractor (30 kN) ejerce su



influencia sobre el órgano de trabajo central (Escarificador Alado) (Fig. 2.15);

Fig. 2.15 Colocación de fuerzas para la variante de Análisis II

3. El apero interactúa con un obstáculo; la fuerza de tracción del tractor (30 kN) ejerce su

influencia sobre uno de los órganos de trabajo curvos (Tipo Paratill) (Fig. 2.16);

Fig. 2.16 Colocación de fuerzas para la variante de Análisis III

4. El apero interactúa con un obstáculo; la fuerza de tracción del tractor ejerce su influencia sobre

los dos órganos de trabajo curvos (Tipo Paratill), ejerciendo sobre estos una fuerza de 15 kN

para cada uno (Fig. 2.17);



Fig.2.17 Colocación de fuerzas para la variante de Análisis IV

De igual forma se realizó el análisis que prevé la posibilidad de que el apero interactúe con un

obstáculo y la fuerza de tiro se descargue sobre la barra de tiro. Para ello se consideró que los dos

órganos de trabajo están empotrados por sus extremos. Sobre las barras de tiro inferiores actúan

dos fuerzas de 30 kN en el sentido positivo del movimiento del apero eje x, (Fig. 2.18). En este

caso sobre el tercer punto de enganche del apero actúa una fuerza de 5 kN en el sentido negativo

del eje x, es decir tiende a comprimir la barra. En este caso también se mantuvieron las restricciones

y fuerzas que actúan sobre las ruedas de apoyo.

Fig. 2.18 Apoyo y fuerzas a que fue sometida la barra

Capítulo III. Resultados y Discusión.


CAPITULO III

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Caracterización de la zona objeto de experimentación

La investigación experimental se realizó en áreas de diferentes municipios de la provincia de Villa

Clara (Fig. 3.1). El Área experimental No.1, se ubicó en la UEB “Héctor Rodríguez”, UBPC “1ro

de Mayo” en el poblado de Sitio Grande del municipio Cifuentes (bloque 77, campo 1). El área

No.2 se estableció en la UEB “Abel Santamaría” del municipio Encrucijada, en la UBPC “José

Arcadio García” del poblado Dos Hermanas (bloque 73 campo 81). El área No.3 se designó en la

UEB “Efraín Alfonzo” del municipio Ranchuelo UBPC “Carlos Manuel de Céspedes” (bloque 627

campos 1y 2).

Fig. 3.1 Localización de las áreas experimentales en el mapa de la provincia



En la Tabla 3.1 se muestran las características principales de las áreas experimentales seleccionadas

para realizar las mediciones del perfil del suelo, así como los periodos en los que se realizaron las

investigaciones.

Tabla 3.1 Características fundamentales de las áreas investigadas

Empresa

UEB

Indicadores

UBPC Bloque Campo Tipo de suelo

“Abel Santamaría” “José Arcadio García” 73 81 -

“Efraín Alfonso”

“Carlos Manuel de

Céspedes” 627 1 y 2 -

“Héctor Rodríguez” “1ro de Mayo” 77 1

Siatilizado

Cálsico

3.2 Resultados de la determinación de las dimensiones del perfil del suelo

Los resultados de la determinación de las dimensiones del perfil del suelo en campos de caña listos

para demoler mostró (Fig. 3.2), que para los 50 perfiles tomados como la muestra representativa

de la población, la altura máxima del surco se ubicó en la zona central, alcanzando valores de

Hsmáx= 0,16 ± 0,0011 m, resultados que se aproximan a los apreciados por Betancourt et al. (2011),

para las plantaciones en canteros (0,17 ± 0,031 m). El ancho máximo de la base del surco fue

Absmáx = 0,85 ± 0,011 m, coincidiendo con el ancho de la zona de desarrollo radicular de las cepas

de caña (0,80 a 0,90 m), resultado que coincide además con los observados por Betancourt et al.

(2011) y que según este se debe a la regulación del ancho de trabajo entre órganos en el primer

cultivo poscosecha (0,80 a 0,90 m).



Fig. 3.2 Diagrama de dispersión para la altura del surco con respecto a la distancia horizontal del perfil

De igual forma se observó que las cepas se distribuyen de manera irregular sobre la superficie del

surco (Fig. 3.3).

En la zona de tránsito de los vehículos (calle), se apreció que la superficie del suelo manifestó

deformación producto de la acción de los sistemas de rodaje de los vehículos empleados en la

cosecha, transporte, y cultivo, alcanzando valores que oscilaron desde -0,049 a 0,03 ± 0,0011 m.

Fig. 3.3 Distribución irregular de las cepas sobre la superficie del surco

La determinación del perfil estadístico permitió definir las dimensiones más probables del perfil

del suelo en los campos en demolición que se plantan en surcos, Los resultados ratificaron que el



ancho de la base del surco más probable es Hbsmáx=0,85 m (Fig. 3.4), lo que demuestra que para el

caso de la plantación en surcos una vez que los campos alcanzan más de cinco cortes, sus

dimensiones se asemejan a la de los canteros empleados en el sistema de plantación de la costa

norte de Villa Clara.

Fig. 3.4 Perfil probabilístico

La altura del surco (As) más probable osciló de 0,067 a 0,081 m (Fig. 3.5), mostrando la mayor

frecuencia observada de las alturas máximas del surco (12%), tomando como valor medio 0,74 m,

y desviación estándar 0,042 m. En el Anexo 2, se muestran los resultados del análisis estadístico.

Fig. 3.5 Histograma de frecuencia de la altura del surco



3.3 Diseño del nuevo apero.

3.3.1 Fundamentación de la estructura del nuevo apero

A partir del análisis de las tendencias actuales del laboreo de suelos cañeros, los aperos de labranza

y órganos de trabajo utilizados con tal fin, se determinó que una de las soluciones factibles para la

preparación de los suelos cubanos para caña de azúcar en superficie no encanterada, es la creación

de un nuevo apero para el laboreo mínimo de suelos que garantice, con una solo pase, dejar el suelo

listo para plantar, y que a la vez su estructura permita, la utilización del mismo en operaciones de

cultivo posteriores a la plantación de la caña de azúcar.

Se diseñó el nuevo apero, el cual se denominó Paratill C-80, debido a que el mismo cuenta con

órganos de trabajo del tipo Paratill, está destinado a la labranza conservacionista de la caña de

azúcar y la distancia aproximada de sus órganos de trabajo es de 0,80 m (Fig. 3.6).

Fig. 3.6 Paratill C-80, nuevo apero diseñado



El nuevo apero está concebido para la labranza localizada en franjas de los suelos dedicados al

cultivo de la caña de azúcar, los brazos curvos tipo Paratill tienen la función de descompactar la

zona de desarrollo lateral del sistema radical de las plantaciones de caña, (Fig. 3.7). El brazo central

del tipo escarificador alado va descepando y descompactando la zona de desarrollo de la cepa y el

sistema radical relacionado con su parte central.

Fig. 3.7 Esquema del corte del suelo y las cepas con el nuevo apero

Finalmente el surcador acoplado a este órgano de trabajo va conformando el surco donde se

desarrollarán las nuevas plantaciones. Esta disposición de los órganos de trabajo permitirá

descompactar toda la zona del desarrollo radicular de las cepas, descepar y surcar en un solo pase

del apero, en la fig. 3.8 se muestra el esquema de la cinemática de movimiento del apero una vez

este es acoplado a la fuente de energía.



Fig. 3.8 Cinemática de movimiento del agregado

3.3.2 Cálculo de los parámetros geométricos-dimensionales del nuevo apero

El cálculo de los parámetros geométrico-dimensionales del nuevo apero, permitió definir la

geometría y dimensiones de sus órganos de trabajo (Tabla 3.2). Los resultados muestran que el

ángulo de desterronamiento deberá ser menor de 40 grado, por lo que se puede tomar como ángulo

de ataque para el diseño 21 grado, o sea dentro del rango recomendado por Norton (1987). De igual

forma el ángulo de abertura de las saetas deberá ser de 43 grado para que garantice que las mismas

no se emboten.

Tabla 3.2. Parámetros de diseño del apero

Parámetro Magnitud U/M

Ángulo de

desterronamiento (α) ≤ 40 grado

Ángulo de abertura de las

saetas (2γ) 43 grado



El apero diseñado reúne las principales características del Paratill y el Multiarado, el mismo está

destinado para la labranza conservacionista de los suelos cañeros en Cuba, con un ancho de labor

de 0,80 a 0,90 m. Está compuesto, por tres órganos de trabajo, los dos primeros dispuestos

lateralmente y el tercero en el centro del apero (6, 17, 18), Anexo 3 (M 160-00-00-00 PE). Los

órganos laterales poseen una geometría similar a los del Paratill, los brazos se encuentran

protegidos contra el desgaste por cuchillas intercambiables que se fijan a los mismos mediante una

unión atornillada (30, 34, 41). Acoplado a estos brazos se colocaron dos deflectores para garantizar

que no ocurra el volteo o la inversión del volumen de suelo cortado, su posición se puede regular

en función de las características del tipo de suelo a laborar con la ayuda de un aditamento hexagonal

con un orificio excéntrico Anexo 3 (M 160-04-00-07). El brazo o timón del órgano central posee

una geometría semejante a la del M-160, con la diferencia que este posee dos saetas laterales (14)

que descompactan el suelo y descepan la caña planta que se va a demoler. Este órgano también

posee un surcador (12) que tiene como función crear las condiciones necesarias para plantar los

nuevos propágalos de caña.

Los brazos o timones están soportados por bridas o porta timones, que a su vez actúan como

elementos de fijación al bastidor (1).

Tomando en cuenta que el apero está concebido para laborar en las plantaciones de caña de azúcar

el diseño previó la incorporación de dos discos pica paja (3) con el fin de evitar los embotamientos

de los órganos de trabajo, además de posibilitar la mantención de la cobertura, Anexo 3 (M160-03-

00-00 PE). Estos discos están ensamblados a dos ruedas rígidas (5) que se emplean para la

regulación o control de la profundidad de trabajo, las cuales se regularan mediante la ayuda de un

usillo (20).



Tomando en cuenta que los sistemas de enganche de la mayoría de los implementos empleados en

la labranza de suelos cañeros serán del tipo integral de 3 puntos, mediante el empleo de dos barras

inferiores y un tercer punto, las cuales se acoplan a las barras de carga o tirantes inferiores y

superior del tractor.

3.3.3 Cálculo de la resistencia a la tracción del apero

La determinación de la resistencia a la tracción del apero mostró (Anexo 1), que el mismo demanda

una fuente energética de la clase traccional 30 kN, lo cual posibilitará una eficiencia en el

aprovechamiento de la fuerza traccional de 0,88, cuando el apero trabaja a una velocidad máxima

de 3 km/h, una profundad de 0,35 m y un ancho de trabajo de 0,80 m.

3.3.4 Análisis de la resistencia del apero diseñado

Los resultados mostraron que el apero que es capaz de resistir a los esfuerzos actuantes sobre los

órganos de trabajo cuando las fuerzas se encuentran distribuidas uniformemente sobre los mismos

(10 kN cada una), pues las tensiones máximas no sobrepasan las tensiones limites (Fig. 3.9).

Fig. 3.9 Distribución del Factor de Seguridad, Variante de Análisis I

Por otra parte, se observa que la zona de máximas tensiones se concentra en las bridas que soportan



los órganos de trabajo y los fijan al bastidor, así como en las barras de tiro, (Fig. 3.10).

De igual forma, el análisis en el caso de estudio II mostró, que aunque el órgano de trabajo central

interactúe con un obstáculo y la totalidad de la fuerza de tiro de la fuente energética (30 kN) actúe

sobre este, es capaz de resistir estos esfuerzos sin deformarse plásticamente. En este caso el mínimo

factor de seguridad alcanza valores de 2,1 (Fig. 3.11).

Fig. 3.10 Distribución de tensiones, Variante de Análisis I

Fig. 3.11 Distribución del Factor de Seguridad, Variante de Análisis II

Como se observa en la fig. 3.12, las zonas donde se concentran las máximas tensiones son los



angulares y las bridas que soportan los órganos de trabajo, así como en las barras de tiro.

Fig. 3.12 Distribución de tensiones, Variante de Análisis II

Para la variante de análisis III, los resultados también mostraron que aunque el brazo curvo tipo

Paratill interactúe con un obstáculo, este es capaz de resistir, aunque la fuerza traccional de la

fuente energética (30 kN) se descargue sobre su estructura, pues en la fig. 3.13 se puede apreciar

que el factor de seguridad mínimo es de 1,8 lo cual confirma que la estructura del apero resiste el

régimen de carga impuesto.

De igual forma siguen siendo las barras de tiro, las bridas de sujeción de los órganos de trabajo y

el tercer punto las zonas más cargadas, o lo que es lo mismo, las zonas de máxima concentración

de tensiones, (Fig. 3.14). En este caso las tensiones se concentran en el brazo curvo tipo Paratill,

en los angulares, bridas y barras de tiro.



Fig. 3.13 Distribución del Factor de Seguridad, Variante de Análisis III

Fig. 3.14 Distribución de tensiones, Variante de Análisis III

Durante el análisis de la Variante IV se evidenció que los dos soportes curvos resisten



sobradamente el régimen de carga establecido (15 kN), pues las máximas tensiones generadas por

la acción de las fuerzas de resistencia, son inferiores a las tensiones de fluencia del material de

ambos brazos, (Fig. 3.15). De igual forma ocurre con el resto de los elementos estructurales del

apero.

Fig. 3.15 Distribución de tensiones, Variante de Análisis IV

En la fig. 3.16, se observa que tanto las bridas, como el bastidor y las barras de tiro del apero son

los elementos más cargados de las estructura del apero, aunque resisten sobradamente el régimen

de tensiones impuesto, pues el factor de seguridad alcanza valores de 3,7.

Finalmente, el análisis de la resistencia de la barra de porta herramientas (Fig. 3.17) muestra que

aunque ocurra la posibilidad de que los órganos de trabajo interactúen con un obstáculo y la fuente

energética someta a una carga brusca (tirón) a la barra porta implementos, esta resiste la fuerza

traccional de la fuente energética (30 kN), pues la distribución del Factor de seguridad muestra que

el mínimo alcanzado es de 3,1, lo cual evidencia que las máximas tensiones estimadas no



sobrepasan el límite de fluencia del material, (Fig. 3.18).

Fig. 3.16 Distribución del Factor de Seguridad, Variante de Análisis IV

Fig. 3.17 Distribución del Factor de Seguridad, análisis de la barra de tiro



Fig. 3.18 Distribución de tensiones, análisis de la barra de tiro

3.4 Análisis de Factibilidad Económica

Una vez fundamentado el diseño del apero se procedió a la valoración económica del mismo, para

lo cual inicialmente se confeccionó una ficha de costo partiendo de la determinación de los costos

por insumos, fuerza de trabajo, energía eléctrica y combustibles más lubricantes, (Anexo 3).

Según las partidas elaboradas, los gastos totales o costos de producción unitarios del apero

ascienden a un monto total de 4 422,3 CUP, de los cuales 1 855 son en CUC, que por el sistema

monetario cubano toma un valor de cambio a CUP 1:1. El precio de venta de los mismos ascendería

a un monto total de 4 750 CUP, lo cual representa una utilidad por cada unidad de 327 CUP.

Por último se puede realizar un análisis de la factibilidad económica de la fabricación del nuevo

apero en contraposición con la compra de aperos similares en el extranjero. El análisis se realizaría

de la siguiente forma:

BE= Gvv-Gvn (3.1)

Donde:

BE-beneficio económico, CUC



Gvv- gastos de la variante vieja, CUC;

Gvn- gastos de la variante nueva, CUC;

En este análisis particular la variante nueva representa el nuevo apero y la variante vieja representa

los aperos tipos Paratill que se comercializan en el exterior. Según las empresas comercializadoras

de estos últimos el precio promedio de comercialización de un Paratill en el mercado oscila

alrededor de los 6 000 CUC y el precio de adquisición de la nueva variante propuesta es de 4 422,3

CUC, según se indica en la ficha de costo, (Anexo 3).

Por lo que los beneficios económicos de la fabricación del Paratill oscilarán entre los 1 577, 8 CUC

por unidad.

3.5 Conclusiones Parciales del capítulo

1. El análisis de la altura del surco (As) a través del histograma de frecuencia observada,

evidenció que la altura más probable (12%) osciló de 0,067 a 0,081 m, tomando como valor

medio 0,74 m, con una desviación estándar de 0,042 m;

2. El ancho de la base del surco más probable en los campos de caña listos para demoler alcanza

valores cercanos a los 0,85 a 0,90 m;

3. Los parámetros geométrico-dimensionales del apero cumplen con los requisitos y condiciones

de diseño exigidos;

4. Los planos de taller desarrollados posibilitará la construcción del apero;

5. Los elementos estructurales del apero diseñado son capaces de resistir las condiciones más

adversas de trabajo;

Conclusiones.


CONCLUSIONES

1. La altura del surco más probable a presentarse en los campos de caña con más de cinco cortes

osciló de 0,067 a 0,081 m, tomando como valor medio 0,74 m, con una desviación estándar de

0,042 m; y el ancho de la base del surco alcanza valores cercanos a los 0,85 a 0,90 m;

2. La metodología y los métodos empleados para el diseño del nuevo apero posibilitarán obtener

resultados más exactos y confiables;

3. Los parámetros de diseño del apero calculados, se corresponden con los establecidos en la

literatura científica, así como con las exigencias agrotécnicas para el desarrollo del cultivo de

la caña de azúcar;

4. El nuevo apero diseñado es capaz de resistir las condiciones de trabajo más adversas;

5. La documentación técnica elaborada permitirá la construcción del apero de labranza,

cumpliendo con los requisitos técnicos y tecnológicos requeridos;

6. La fabricación del nuevo apero en Cuba traerá beneficios del orden de los 1 577, 8 CUC por

cada unidad producida;

Recomendaciones.


RECOMENDACIONES

1. Pasar a la fase constructiva de un prototipo para realizar su evaluación en condiciones de

trabajo;

Referencias Bibliográficas.


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ZINCK, A.: "Suelos, información y sociedad. ", Instituto Nacional de Ecología: 2005.

Anexos.


ANEXOS

Anexo 1. Cálculo de Parámetros Geométricos, Fuerzas y Potencia de Tiro.

Cálculo del ángulo de inclinación o desterronamiento.

Cálculo de la demanda traccioanal del apero.

Cálculo del aprovechamiento de la Fuerza.

G m g

P1 f G

P1 3.575kN

P2 K a b n g

P2 21.967kN

500kg s

2

m4

m 729.1012kg

f 0.5

P 26.495kN

P3 0.953kN

P3 a b n g V2

P P1 P2 P3

Px

Pt

Px P

Pt 30kN

Anexos.


Anexo 2. Análisis Estadístico.

Regresión Polinomial - Hs vs As.

Variable dependiente: Hs

Variable independiente: As

Orden del polinomio = 6

Error Estadístico

Parámetro Estimado Estándar T Valor-P

CONSTANTE -0,00552447 0,00281276 -1,96408 0,0495

Dimencion H 0,0576436 0,0492814 1,16968 0,2421

Dimencion H^2 -0,993408 0,268832 -3,69527 0,0002

Dimencion H^3 4,64441 0,62239 7,46221 0,0000

Dimencion H^4 -6,57289 0,692237 -9,49516 0,0000

Dimencion H^5 3,68682 0,365927 10,0753 0,0000

Dimencion H^6 -0,725073 0,0737958 -9,8254 0,0000

Análisis de Varianza

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

Modelo 3,89826 6 0,649711 1456,93 0,0000

Residual 0,853982 1915 0,000445944

Total (Corr.) 4,75225 1921

R-cuadrada = 82,0299 porciento

R-cuadrada (ajustada por g.l.) = 81,9736 porciento

Error estándar del est. = 0,0211174

Error absoluto medio = 0,0169069

Estadístico Durbin-Watson = 0,143679 (P=0,0000)

Autocorrelación de residuos lag 1 = 0,927585

El StatAdvisor

La salida muestra los resultados de ajustar un modelo polinomial de sexto orden para describir la relación

entre Valor Medido y Dimencion H. La ecuación del modelo ajustado es

Valor Medido = -0,00552447 + 0,0576436*Dimencion H-0,993408*Dimencion H^2 + 4,64441*Dimencion

H^3-6,57289*Dimencion H^4 + 3,68682*Dimencion H^5-0,725073*Dimencion H^6

Puesto que el valor-P en la tabla ANOVA es menor que 0,05, existe una relación estadísticamente

significativa entre Valor Medido y Dimencion H con un nivel de confianza del 95%.

El estadístico R-Cuadrada indica que el modelo así ajustado explica 82,0299% de la variabilidad en Valor

Medido. El estadístico R-Cuadrada ajustada, que es más apropiada para comparar modelos con diferente

número de variables independientes, es 81,9736%. El error estándar del estimado muestra que la desviación

estándar de los residuos es 0,0211174. Este valor puede usarse para construir límites para nuevas

observaciones, seleccionando la opción de Reportes del menú de texto. El error absoluto medio (MAE) de

0,0169069 es el valor promedio de los residuos. El estadístico de Durbin-Watson (DW) examina los

Anexos.


residuos para determinar si hay alguna correlación significativa basada en el orden en el que se presentan

en el archivo de datos. Puesto que el valor-P es menor que 0,05, hay una indicación de posible correlación

serial con un nivel de confianza del 95%. Grafique los residuos versus el número de fila para ver si hay

algún patrón que pueda detectarse.

Para determinar si el orden del polinomio es apropiado, primero note que el valor-P en el término de mayor

orden es igual a 0,0. Puesto que el valor-P es menor que 0,05, el término de mayor orden es estadísticamente

significativo con un nivel de confianza del 95%. Consecuentemente, es probable que no quisiera considerar

ningún modelo de orden menor.

Anexos.


Anexo 3. Análisis de Factibilidad Económica

Ficha de costo del nuevo apero diseñado.

UCLV

Departamento de Mecanización Agrícola

MES

Fichas para precios y su componente en pesos convertibles

Empresa: EPSM Enrique Villegas Martínez Código:108.0.01051

Organismo: MINAZ Plan de Producción: 1 Cap.

instalada:

Producto o Servicio: M-160 PARATILL

Código. Prod. o Serv: 544-102-0101 U/M: Prod. Per.

Ant:

Conceptos de Gastos Fila Total Unitario De ello: CUC

Materia prima y Materiales 1 2239,140884 1855,040994

Materia prima y Materiales fundamentales 2 2213,793219 1829,693329

Combustibles y Lubricantes 3 1,347665 1,347665

Energía Eléctrica 4 24 24

Agua 5

Subtotal (Gastos de Elaboración) 6 2183,085465 0

Otros Gastos Directos (4.2192 de 9) 7 1361,792367

Gastos de Fuerza de Trabajo 8 484,1371655 0

Salario 9 322,7608

Vacaciones 10 29,33895672

Impuesto Utilización de la Fuerza de Trabajo (25% de 9+10) 11 88,02493918

Contribución a la Seguridad Social (12.5% de 9+10) 12 44,01246959

Gastos Indirectos de Producción (0.7122 de 9) 13 229,8702418

Gastos Generales y de Administración (0.2755 de 9) 14 88,9206004

Gastos de Distribución y Ventas (0.053 % de 9) 15 17,1063224

Gastos Bancarios (0.0039 x 9) 16 1,25876712

Gastos Totales o costo de Producción 17 4422,226348 1855,040994

Margen de Utilidad Sobre la Base Autorizada (15 % de 6 ) 18 327,4628197

PRECIO DEL LOTE: 19 4749,689168

PRECIO POR UNIDAD: 20 4749,689168

PRECIO REDONDEADO: 21 450,00

Porciento sobre el Gasto en Divisa ( 10% de 17 en CUC ) 22 185,5040994

COMPONENTE EN PESOS CONVERTIBLES 23 2040,545

COMPONENTE REDONDEADO 24 90,35

Firma Fecha

Elaborado Por: Maykel Cruz Díaz. Estudiante MPA 02/01/2006

Aprobado por: Dr. C. Miguel Herrera Suárez y Miguel A. Flores Pita.

Tutores.

02/01/2006

Anexos.


Organismo: UCLV Modelo de insumos

Dpto. Ing.

Agrícola

Equipos Nuevo Apero

Código: 544-102-0101

Código Descripción U/

M

Cant. Precio Unitario Importe

CUC MN CUC MN

plancha Ac CT3 8 mm t 0,006 504,00 126,00 3,02 0,76

plancha Ac CT3 10 mm t 0,300 505,40 126,38 151,62 37,91

plancha Ac CT3 12 mm t 0,004 731,36 182,84 2,93 0,73

plancha Ac CT3 16 mm t 0,062 896,00 224,00 55,55 13,89

plancha Ac 45 16 mm t 0,005 876,01 440,00 4,38 2,20

plancha Ac CT 22 mm t 0,250 1760,00 303,92 440,00 75,98

plancha Ac CT 32 mm t 0,006 1215,68 365,07 7,29 2,19

plancha Ac 45 32 mm t 0,325 1460,25 218,43 474,58 70,99

planchuela Ac CT3 10X40 t 0,002 873,72 126,36 1,75 0,25







barra redonda Ac CT3 12 mm t 0,001 812,00 200,75 0,81 0,20


barra redonda Ac 45 L/F 32

mm

t 0,013 887,32 194,00 11,09 2,43

barra redonda Ac 45 40 mm t 0,015 776,00 248,00 11,64 3,72






barra cuadrada Ac CT3 12 mm t 0,001 939,22 150,09 0,94 0,15

barra cuadrada Ac CT3 65 mm t 0,070 600,35 168,00 42,02 11,76

barra hexagonal Ac 35 46 mm t 0,002 1301,32 325,34 1,95 0,49

angular a/d 100X160X10 t 0,297 525,72 131,44 156,14 39,04

tubo Ac 20 76X6 t 0,002 997,60 249,40 2,00 0,50

rodamiento6208 U 4 9,28 2,33 37,12 9,32

tornillo cab hexag M6X20 U 8 0,09 0,30 0,72 2,40






tuerca hexag M12 U 12 0,16 0,04 1,92 0,48

tuerca hexag M20 U 4 0,06 0,02 0,24 0,08

tuerca hexag M22 U 16 0,09 0,03 1,44 0,48

Modelo de insumos continuación

tuerca hexag M24 U 2 0,16 0,04 0,32 0,08

espárrago M12X40 U 4 0,24 0,06 0,96 0,24

Anexos.


pasapunta abierto 3,2X40 mm U 4 0,00 0,01 0,00 0,04



arandela hel de presión 8 mm U 8 0,00 0,05 0,00 0,40




copilla de engrase M10X1 U 2 0,16 0,05 0,32 0,10

disco plano 23 " U 2 13,06 3,27 26,12 6,54

electrodo E 6013 Ø 4 mm Kg 10 2,14 0,54 21,40 5,40

electrodo E 6013 Ø 5 mm Kg 10 7,84 1,96 78,40 19,60

oxido rojo L 3 2,88 0,73 8,64 2,19

pintura esmalte amarillo L 3 6,10 1,53 18,30 4,59

gasolina L 2 2,70 0,68 5,40 1,36

oxigeno m3 18 6,56 1,64 118,08 29,52

acetileno m3 6 7,68 1,92 46,08 11,52

Total 1829,69 384,10

Fecha

02/05/2008

Anexos.


Organismo: UCLV Modelo de insumos

Dpto: MPA Nuevo Apero

Código: 544-102-0101

Fuerza de Trabajo

Categoría Ocupacional Cant. Trab. Sal/Hora Hras

Trab.

Importe

Tornero A 1 1,45 12 17,4

Ajustador Herramentista A 0 0 0

Operador de Maquina de Cortar

Metales

1 1,34 12 16,08

Mecánico de taller A 1 1,5 60 90

Pailero B 0 0 0

Pintor 1 1,3394 4 5,3576

Ayudante 0 1,24 0 0

Mecánico A de Equipo automotor 1 1,5 2,8 4,2

Pailero A 1 1,58 60 94,8

Soldador A 1 1,5228 50 76,14

Mecánico de taller B 0 1,37 0 0

Estibador 0 1,56 0 0

Verificador 1 1,34 2 2,68

Ayudante 1 1,3129 8 10,5032

Gruero A 1 1,4 4,00 5,6

Soldador B 1 1,45 0 0

Electricista A 0 0 0

Total 322,7608

Combustibles y Lubricantes

Código Descripción U/M Cant Precio Unitario Importe

CUC MN CUC MN

225-201-0016 Petróleo L 1,5 0,3047 0,45705 0

233-230-0122 Aceite soluble L 0,5 1,0696 0,5348 0

233-216-0102 Aceite de maquina L 0,5 0,71163 0,355815 0

Total 1,347665 0

Energía Eléctrica

Código Descripción U/M Cant Precio Unitario Importe

CUC MN CUC MN

S/C Consumo eléctrico kw 200 0,12 0 24 0

Fecha

02/05/2008

Anexos.


Anexo 4. Planos de Taller del nuevo apero diseñado

Diseño de un nuevo apero para la labranza conservacionista ...

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