Determinación de la fuerza de tracción y potencia a la barra de tiro

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
ISSN: 1010-2760
[email protected]
Universidad Agraria de La Habana Fructuoso
Rodríguez Pérez
Cuba
Mayans-Céspedes, Pedro R.; Soca-Cabrera, José R.; López Canteñs, Gilberto; RomantchikKriuchkova, Eugenio
Determinación de la fuerza de tracción y potencia a la barra de tiro del tractor New Holland 6610s
Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 19, núm. 1, 2010, pp. 37-43
Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez
La Habana, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93218954008
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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 19, No. 1, 2010
MÁQUINAS A PRUEBAS
MACHINES TESTING
Determinación de la fuerza de tracción y potencia
a la barra de tiro del tractor New Holland 6610s
Determining the traction power and potential of the power
drive of the New Holland 6610s tractor
Pedro R. Mayans-Céspedes1, José R. Soca-Cabrera2, Gilberto López Canteñs3 y Eugenio Romantchik-Kriuchkova3
RESUMEN. Las pruebas energéticas de los tractores están estandarizadas y se rigen por normas que permiten determinar los principales
índices del tractor. En el presente trabajo se reflejan los resultados de la prueba de tracción y potencia a la barra de tiro del tractor New Holland
6610S4 para la tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidades en una pista de asfalto, utilizándose la norma MNX
¨Tractor agrícola–Determinación de potencia y fuerza de tracción a la barra de tiro–Método de prueba¨ y la NC “Máquinas agropecuarias
y forestales. Evaluación energética. Metodología para su realización”. Los resultados de las mediciones realizadas fueron procesados en los
paquetes CurveExpert versión 1.3 y Microsoft Excel XP 2002 con los cuales se construyeron las características y dinamogramas de la fuerza
de tracción del tractor. La potencia máxima registrada en la barra de tiro en pista de asfalto fue de 18,03; 22,.02; 24,89 y 34,14 kW para la
tercera, cuarta, quinta y sexta velocidad respectivamente.
Palabras clave: fuerza de tracción, celda de carga, amplificador, medidor de combustible, multímetro
ABSTRACT. The energy tests for tractors are standardized and guided by norms which permit the principal indexes of the tractor to be determined. This paper reflects the results of tests of the traction and the potential of the power drive of the New Holland 6610S tractor on an asphalt
road while in third, fourth, fifth and sixth gear speeds, respectively. The method known as the MNX Norm “Agricultural tractor - Determining the potential and traction power of the power drive - Test method” and the NC “Agricultural and Forest Machinery. Energy evaluation.
Methodology for this purpose”. The results of these measurements were processed using the CurveExpert version 1.3 and Microsoft Excel XP
2002 software programs with which the tractor traction power characteristics were determined. The maximum power recorded for the power
drive on an asphalt road was 18,03; 22,02; 24,89 and 34,14 kW for third, fourth, fifth and sixth gear speed, respectively.
Keywords: traction power, power drive, load cell, ���������������������������������
amplifier������������������������
, fuel gauge������������
�����������������
, multimeter
INTRODUCCIÓN
La mecanización de la agricultura ha permitido aumentar, principalmente, la capacidad de trabajo y la producción,
ejecutar las operaciones con mayor oportunidad y calidad, reduciendo y dignificando el esfuerzo físico del hombre; sin embargo, los tractores y máquinas agrícolas tienen un alto costo
de adquisición y operación en términos monetarios y energéticos (Hetz y Barrios, citados por De Erbiti y Paneque, 1999).
Para lograr optimizar la explotación de la maquinaria
agrícola y establecer métodos de organización que aseguren
el correcto aprovechamiento de los medios de mecanización,
eleven la eficiencia productiva y que las máquinas funcionen
cumpliendo su trabajo con alta calidad y eficiencia energética es necesario el estudio detallado de las propiedades de
explotación de los conjuntos y en especial el relacionado con
la fuente energética, ya que de ello depende en gran medida
los indicadores técnicos-económicos (Paneque et al., 1994). El
Recibido 13/12/08, aprobado 18/01/10, trabajo 08/10, investigación.
1
M.I., Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Universidad Autónoma Chapingo, km 38,5. Carretera México-Texcoco, Chapingo, Texcoco,
Edo. de México, CP. 56230, E-: [email protected].
2
M.C., Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo.
3
Dr.C. Prof., Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo.
4
La mención de marcas comerciales de los equipos, instrumentos o materiales específicos obedece únicamente a propósitos de identificación, no existiendo
ningún compromiso promocional con relación a los mismos por la dirección de la revista, la que tampoco se responsabiliza con los criterios emitidos con
relación a productos de determinada firma comercial.
37
Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 19, No. 1, 2010
presente trabajo tiene como objetivo determinar los principales índices de tracción del tractor New Holland 6610S para la
tercera, cuarta, quinta y sexta posición de la caja de cambio de
velocidad en una pista de asfalto.
MATERIALES Y MÉTODOS
Condiciones ambientales
La información referente a las condiciones metereológicas durante el periodo de realización de las actividades experimentales, se obtuvieron del observatorio metereológico de
Chapingo, ubicado a una altitud de 2 242 msnm, a los 19°30’
de latitud norte y a los 98°51’ de longitud oeste del meridiano
de Greenwich.
Los valores medios de temperatura ambiente, presión atmosférica y humedad relativa fueron de 14,7°C, 0,0786 MPa y
75%, respectivamente en el periodo analizado.
mos a la grúa, se conectó el amplificador y por el otro extremo
se colocó un cable de acero para incrementar la carga a partir
de pesos conocidos (Figura 1). Las señales originadas por la
deformación de los extensómetros fueron registradas por el
multímetro, que se conectó a los terminales del amplificador,
obteniéndose las lecturas de carga. Las lecturas de descarga
se obtuvieron eliminando pesos (cada 20 kg), calculándose el
valor promedio de las lecturas. En la Figura 2 se muestran los
resultados de la calibración de la celda de carga.
Instrumentos y medio de medición
Todos los instrumentos de medición utilizados en la fase
experimental fueron calibrados y verificados, cumpliendo
cada parámetro medido con las tolerancias permitidas (MNXO-169-SCFI, 2002). En el Cuadro 1 se muestran los instrumentos de medición con su precisión correspondiente. Además se utilizó como medio de medición el datalogger modelo
NR-200 400 kHz.
FIGURA 1. Calibración de la celda de carga.
CUADRO 1. Instrumentos de medición y su precisión
Instrumento de Medición
Balanza Analítica
Probetas
Tacómetro Digital
Cinta Métrica
Cronómetro
Medidor de Combustible
Multímetro
Celda de carga
Amplificador
Precisión
± 0,01 g
± 10 mL
± 1 min-1
± 5 mm
± 0,01 s
± 0,02 L
± 0,1 mV
± 2,53 N
± 10%
Metodología utilizada en la determinación de los indicadores energéticos del tractor
Para calcular los principales índices de tracción del tractor, se consultó la norma mexicana MNX-O-169-SCFI (2002):
Tractor agrícola–Determinación de potencia a la toma de
fuerza–Método de prueba, otra norma mexicana, la NMX-O203-SCFI (2004): “Tractor agrícola–Determinación de potencia y fuerza de tracción a la barra de tiro–Método de prueba”
y la norma cubana NC 34–48 “Máquinas Agropecuarias y
Forestales - Evaluación Energética–Metodología para su realización”.
Calibración de la celda de carga
La calibración se realizó antes y después de la prueba de
tracción. La celda de carga se suspendió por uno de los extre-
38
FIGURA 2. Variación de la deformación de los extensómetros en dependencia de la carga aplicada.
Dispositivo de carga y procedimiento utilizado en la prueba de tracción del tractor
Se empleó en calidad de dispositivo de carga a los tractores FORD 6600 y TW-20. La variación de la carga se logró
cerrando el suministro de combustible a los cilindros y cambiando el número de marcha.
Para realizar la prueba de tracción del tractor se siguió el
siguiente procedimiento:
1. Se instaló el medidor de combustible, datalogger y amplificador en el tractor New Holland 6610S (Figura 3).
Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 19, No. 1, 2010
FIGURA 3. Instalación de los instrumentos de medición. (1) Datalogger; (2) amplificador; (3) medidor de combustible.
2. Se enganchó la celda de carga por uno de sus extremos a la
barra de tiro del tractor New Holland 6610S y por el otro a
una cadena para remolcar al tractor que actuaba como freno
(Figura 4). Se realizaron las conexiones correspondientes de
la celda de carga al amplificador y de éste al datalogger que
almacenó los resultados de la prueba.
Donde:
Pg-Fuerza de tracción en la barra de tiro [N];
Ý-Valor de tensión almacenada en la tarjeta magnética
[mV].
2. Distancia teórica: Se utilizó la siguiente expresión:
(2)
Donde:
S1-Distancia recorrida por el tractor sin carga [m];
P- Perímetro de la rueda motriz [m];
n- Número de vueltas de la rueda motriz.
3. Patinaje de las ruedas motrices: Se calcula por la expresión:
(3)
Donde:
d-Patinaje de las ruedas motrices [%];
S: Distancia recorrida por el tractor bajo carga [m].
La curva de patinaje se construyó para la cuarta posición
en la caja de cambio de velocidad.
4. La velocidad de trabajo: Se calcula como:
FIGURA 4. Colocación de la celda de carga.
3. Durante la prueba de tracción se fue aumentando progresivamente la carga al tractor en las posiciones de la caja de
cambio de velocidad seleccionada, realizándose para cada
una de ellas dos repeticiones en una pista de asfalto con
longitud aproximada de 200 m.
4. En el transcurso de la prueba se midió el perímetro de la rueda motriz, la distancia recorrida bajo carga para 20 vueltas
de las ruedas motrices, el tiempo de duración del recorrido
y el consumo de combustible.
Parámetros de tracción del tractor calculados a partir
de los resultados de la prueba (Chudakov, 1977 e Iglesias et
al., 1999):
1. Fuerza de tracción en la barra de tiro: Se utilizó la ecuación obtenida a partir de la calibración de la celda de carga:
(1)
(4)
Donde:
Vt-Velocidad de trabajo [m/s];
t1-Tiempo durante el recorrido [s].
5. Potencia en la barra de tiro: Se calcula en base a la
fuerza de tracción y la velocidad de trabajo.
(5)
Donde:
Ng-Potencia en la barra de tiro [kW].
6. La frecuencia de rotación del motor: Se calcula por la
expresión (Jrobostov, 1977):
(6)
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Donde:
n m-Frecuencia de rotación del motor [min-1];
R-Radio reducido de la rueda motriz [R=0,71 m];
i- Relación de transmisión final.
Para determinar la relación de transmisión final, se alzó el
puente trasero del tractor sobre soportes y se aceleró el motor
hasta que en el tablero de control indicó una frecuencia de
rotación de 2 200 min-1. Posteriormente se colocó la cuarta posición en la caja de cambio de velocidad y con un tacómetro se
determinó la frecuencia de rotación de las ruedas motrices.
El valor de i se calcula como:
(7)
Donde:
n r: Frecuencia de rotación promedio de las ruedas motrices [min-1].
7. El consumo horario de combustible: Se determinó tomando el tiempo en que gastó 0,1 L de combustible:
(8)
Donde:
Gh´-Gasto horario de combustible [kg/h];
q-Volumen de combustible consumido en el recorrido [L];
tc-Duración del recorrido [s];
ρ-Densidad del combustible [kg·m-3].
8. El consumo especifico de combustible: Se calculó de
la siguiente manera:
(9)
Donde:
g´e- Consumo especifico de combustible [g/kW·h].
9. Eficiencia en la transmisión en la caja de cambio: Se
calcula mediante la fórmula:
(10)
Donde:
ηt-Eficiencia en la transmisión de la caja de cambio;
Nm-Potencia efectiva del motor [según el fabricante es de
65,62 kW];
Ngm-Potencia máxima en la barra de tiro [kW].
10. El factor de peso del tractor para cada transmisión
seleccionada: Se calcula como:
(11)
Donde:
Ka-Factor de utilización del peso del tractor.
Gt-Peso del tractor. [según el fabricante es de 24,81 kN];
Pgm-Fuerza de tracción máxima en la barra de tiro [kN].
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los modelos matemáticos que reflejan el comportamiento
de los indicadores de tracción obtenidos a partir del incremento de la carga en la barra de tiro del tractor están contenidos en
el Cuadro 2. En el mismo se observa que el modelo de mejor
ajuste obtenido para la velocidad de trabajo y la potencia en
la barra de tiro fue la racional, mientras que para el patinaje,
el gasto horario y específico de combustible fueron la función
exponencial, el modelo MFF y Weibull respectivamente.
CUADRO 2. Modelos matemáticos que reflejan el comportamiento de los indicadores de tracción del tractor para tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja de cambio de velocidades
Modelo
Parámetro
VtIII
VtIV
VtV
VtVI
G´hIII
G´hIV
G´hV
G´hVI
NgIII
NgIV
NgV
NgVI
g´eIII
g´eIV
g´eV
g´eVI
a
5,828
7,848
9,320
11,328
3,200
3,809
4,650
4,823
7,184e-8
1,777e-7
1,923e-7
0,010
7614,600
5171,330
13264,880
5740,830
δIV
0,6878
Valores de los coeficientes
b
c
-0,448
-0,069
-0,660
-0,076
7,435e8
78909457
-1,028
-0,089
18,566
12,936
66,445
72,733
10,928
16,754
145,020
103,500
1,507
-0,010
2,157
0,004
2,874
0,047
2,949
-0,023
7225,330
0,686
4842,500
0,468
12896,320
0,322
5464,060
0,427
d
-5,760e-4
-6,890e-4
570036,38
-1,126e-4
1,443
0,752
1,138
1,124
1,000e-3
4,700e-4
-2,900e-3
2,129e-3
-1,378
-1,081
-1,870
-1,145
0,174
Leyenda: S: Desviación estándar, R 2: Coeficiente de correlación, x: Fuerza de tracción
40
S
0,00336
0,00301
0,0029
0,0039
0,0029
0,1520
0,0022
0,0699
0,00226
0,00229
0,11790
0,00260
0,00153
1,64800
5,90000
2,16100
R2
0,999
0,999
0,999
0,997
0,999
0,998
0,999
0,999
0,67300
0,964
0,999
0,999
0,999
0,999
1
0,999
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En función de la frecuencia de rotación del motor, los modelos matemáticos de mejor ajuste para la potencia en la barra de
tiro, fuerza de tracción y consumo de combustible es el modelo racional, mientras que para el consumo especifico es el growth
rate (Cuadro 3).
CUADRO 3. Modelos matemáticos que reflejan el comportamiento de los principales índices de tracción en función de la frecuencia
de rotación del motor para la cuarta posición en la caja de cambio de velocidad
Modelo
Valores de los coeficientes
b
c
Parámetro
a
Ng
-1,387e8
63608,83
G´h
-3,328e9
1504420,1
g´e
-15,104
-2187,7
Pg
-65704187
30124,06
d
S
R2
-1172,09
0,4862
0,1043
0,999
-113052,39
49,313
0,0033
0,999
168,83
0,986
0,0565
0,999
-917,014
0,368
En el Cuadro 4 se muestran los valores promedios de los indicadores de tracción para diferentes niveles de carga, así como
el patinaje y frecuencia de rotación del motor para la cuarta posición de la caja de cambio de velocidad del tractor (i=75,86). A
partir de estos resultados se construyó la característica de tracción y de velocidad del motor (Figuras 5 al 7).
CUADRO 4. Valores promedios de los principales índices del tractor obtenidos durante la prueba de tracción a diferentes niveles de
carga en las velocidades tercera, cuarta, quinta y sexta
δ
(%)
nm
(min-1)
0,12
2 183
1032,7
0,84
2 148
7,88
556,89
2,97
2 124
22,02
9,7
440,51
4,69
2 057
9,32
0
4,65
2,94
9,29
7,59
6,68
880,10
3,98
9,11
9,56
7,21
754,18
10,2
8,78
24,89
10,14
407,39
Posición en la caja de cambio
del tractor freno
Pg
(kN)
vt
(km/h)
Ng
(kW)
G´h
(kg/h)
g´e
(g/kW.h)
VIII 6610S
VIII 6610S
VVIIITW-20
VIII 6610S
VVI TW-20
VIII 6610S
VII 6600
VIV 6610S
VIV 6610S
VVIII 6600
VIV 6610S
VVIIITW-20
VIV 6610S
VVI TW-20
VV 6610S
VV 6610S,
VVIII 6600
VV 6610S
VVII 6600
VV 6610S
VV 6600
VVI 6610S
VVI 6610S
VVIII 6600
VVI 6610S
VVII 6600
VVI 6610S
VVI 6600
VVI 6610S
VV 6600
0
5,83
0
3,2
6,66
5,54
10,26
7,62
742,7
10,26
5,4
15,39
9,12
592,59
12,35
5,26
18,03
9,72
539,1
0
7,85
0
3,8
2,73
7,67
5,81
6,0
6,87
7,42
14,15
11,23
7,06
0
0
11,34
0
4,81
3,07
11,30
9,64
7,36
763,48
4,13
11,23
12,89
7,82
606,67
8,09
11,20
25,16
11,54
459,85
10,86
10,66
32,14
13,81
429,68
41
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FIGURA 5. Característica de tracción del tractor en pista de asfalto para las
velocidades de trabajo seleccionadas.
FIGURA 6. Dependencia de la potencia en la barra de tiro y la fuerza de
tracción del tractor con la velocidad del motor en pista de asfalto.
FIGURA 7. Dependencia del gasto horario y específico de combustible del tractor con la velocidad del motor en pista de asfalto.
En la característica de tracción se observa que al aumentar la carga aumenta la potencia de tracción, el gasto horario
de combustible y el patinaje de las ruedas motrices, disminuyendo la velocidad de trabajo y el consumo específico de combustible. Este comportamiento se mantiene para cada posición
en la caja de cambio de velocidad.
En la característica de velocidad del motor se observa que
existe una disminución de la frecuencia de rotación cuando
42
aumenta la fuerza de tracción, la potencia a la barra de tiro y
el consumo horario de combustible, mientras que el consumo
específico de combustible disminuye.
En el Cuadro 4 se observa que la diferencia entre las
cargas de una posición de la caja de cambio de velocidad y
la inmediata en el tractor freno es alta, debido a que poseen
transmisiones escalonadas. Cuando se utilizan tractores como
dispositivo de carga no es posible realizar las mediciones ne-
Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 19, No. 1, 2010
cesarias (de 5 a 7 pruebas) en la zona próxima a máxima potencia para definir la rama de regulación y de sobrecarga del
motor.
En el Cuadro 5 se reflejan los índices de tracción del tractor obtenidos a carga máxima que ofrece el tractor freno en las
posiciones de marcha seleccionadas, en el mismo se observa que aumenta la eficiencia en la transmisión con el incremento de la
potencia de tracción, lo que indica un mejor aprovechamiento de las capacidades energéticas del tractor. En cuanto al factor de
peso, fue aumentando con el crecimiento de la fuerza de tracción.
CUADRO 5. Valores medios de los principales índices del tractor obtenidos a carga máxima que ofrece el tractor freno en las
velocidades seleccionadas en pista de asfalto
Parámetro
Pg
Vt
Ng
G´h
g’e
δ
ηt
Ka
Unidad de
medida
kN
km/h
kW
kg/h
g/KW·h
%
VIII
12,35
5,26
18,03
9,72
539,10
5,91
0,27
0,50
Posición en la caja de cambio
VIV
VV
11,23
10,20
7,06
8,78
22,02
24,89
9,70
10,14
440,51
407,39
4,69
4,07
0,34
0,38
0,45
0,41
VVI
10,86
10,66
34,14
13,81
429,68
4,56
0,49
0,43
CONCLUSIONES
• La potencia máxima obtenida en la barra de tiro del tractor
durante la prueba de tracción en pista de asfalto fueron de
18,03; 22,02; 24,89 y 34,14 kW correspondientes a las posiciones de tercera, cuarta, quinta y sexta posición en la caja
de cambio de velocidad, respectivamente.
• El gasto horario de combustible alcanza su valor más alto
cuando la potencia de tracción es máxima, siendo de de
9,72; 9,70; 10,14 y 13,81 kg/h para las posiciones de tercera,
cuarta, quinta y sexta en la caja de cambio de velocidad,
respectivamente.
• El consumo específico de combustible alcanza valores
mínimos de 539,10; 440,51; 407,39 y 429,68 g/kW·h para
las posiciones de tercera, cuarta, quinta y sexta en la caja
de cambio de velocidad, respectivamente. Estos valores
corresponden a la potencia máxima de tracción.
• En la característica de velocidad del motor se observó que
existe una disminución de la frecuencia de rotación del
motor de 2 183 a 2 057 min-1 cuando aumenta la carga de 0
a 11,26 kN, la potencia en la barra de tiro de 0 a 22,02 kW
y el consumo de combustible de 3,8 a 9,7 kg/h. Mientras
que el consumo especifico de combustible disminuye hasta
440,51 g/kW·h.
• La eficiencia en la transmisión de la caja de cambio fue de 27,
34, 38 y 49% para la tercera cuarta, quinta y sexta posición
en la caja de cambio de velocidad, respectivamente.
• El factor de peso para cada transmisión seleccionada fue de
0,41; 0,42; 0,45 y 0,5 para valores de carga de 10,20; 10,86;
11,23 y 12,35 kN, respectivamente.
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MNX-O-169-SCFI: Tractor agrícola–Determinación de potencia a la toma de fuerza–Método de prueba, 37pp., D.F., México, Vig. 2002.
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