principios

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CAPÍTULO 4.1: PRINCIPIOS
4.1.1.- Introducción
La vibración mecánica se ha convertido, de todos los métodos
ensayados, en la forma más desarrollada de derribo de aceituna de los
árboles. Gracias a ella se ha conseguido pasar de una ruda operación
manual a un proceso altamente tecnificado.
En la actualidad y en los países más avanzados, son muchos los
agricultores que utilizan este moderno sistema de recolección de fruta, pero
a pesar de la experiencia que existe en este campo, todavía hay agricultores
y técnicos en éste y en otros países, que dudan e incluso niegan sus
posibilidades (Porras et al, 1999).
Esto no es sólo injustificado sino que además es ingrato y
desafortunado, ya que hasta llegar a los actuales vibradores
multidireccionales de troncos y ramas de tipo multidireccional ha habido
una evolución técnica basada en estudios y experimentos realizados durante
casi medio siglo.
El primer vibrador de inercia fue proyectado por Adrian y Fridley en
la década de los 60 y usaba un mecanismo biela-manivela que accionaba un
brazo deslizante, el cual mediante una pinza se fijaba al árbol y originaba la
necesaria vibración para derribar los frutos.
Al poco tiempo, los vibradores de inercia fueron adaptados para
vibrar el tronco de los árboles y reducir con ello el número de agarres
requeridos, simplificándose así las operaciones de recogida ya que,
lógicamente, es siempre preferible utilizar vibradores de troncos a los de
ramas para tener una mayor eficiencia de trabajo de las máquinas.
Pero este notable avance no significó alcanzar el máximo desarrollo
de estas máquinas, pues se observó que vibrando en varias direcciones se
incrementaba notablemente el porcentaje de fruto derribado. Fue el
ingeniero californiano Brandt quien en 1965 patentó un modelo que más
tarde se desarrolló comercialmente y que significó un avance tan notable
101
que su principio constituye la base del funcionamiento de la práctica
totalidad de los vibradores del mercado actual.
El modelo comercial desarrollado por Brandt consiste en dos masas
excéntricas que giran alrededor de un eje común, una encima de la otra; el
giro de ambas masas se realiza en sentido contrario y con velocidades
angulares diferentes en valor absoluto, aunque próximas. De esta forma, al
suspenderse y oponerse generan una fuerza variable en módulo, dirección y
sentido que origina la vibración multidireccional deseada.
Figura 4.1.1.- Principio de vibrador multidireccional de Brandt.
4.1.2.- Características constructivas y técnicas de los vibradores
multidireccionales
En esencia, todas las máquinas vibradoras multidireccionales constan
de dos partes claramente diferenciadas, una mecánica y otra hidráulica
(Porras A., 1985).
• La parte mecánica comprende los siguientes mecanismos:
• Vehículo de transporte del vibrador.
• Sistema de anclaje al vehículo.
• Cabeza vibradora que consta de:
- Carcasa.
- Sistema de transmisión de potencia.
- Pinza de agarre con mecanismos de apertura y
cierre.
• Mecanismos de fijación al árbol:
- Volteo.
102
-
Inclinación.
Elevación y descenso.
Alejamiento y acercamiento.
Giro en un plano.
El gráfico de la siguiente figura muestra de forma muy explícita los
sistemas mecánicos esenciales de un vibrador.
1.- Vehículo de transporte.
2.- Brazo de elevación y descenso.
3.- Inclinación longitudinal.
4.- Volteo transversal.
5.- Cadenas.
6.- Cabezal vibrador.
Figura 4.1.2.- Sistemas mecánicos de los vibradores.
La mayoría de las firmas constructoras de vibradores
multidireccionales utilizan el principio de funcionamiento desarrollado por
Brandt, es decir, dos masas excéntricas girando en sentidos contrarios bien
alrededor de un eje común o bien alrededor de sus ejes respectivos. Estas
masas, en la mayoría de los casos soportadas por poleas, se pueden cambiar
para adaptarse a diferentes potencias motoras y condiciones de vibración.
2
1
5
3
4
1.- Rodamiento.
2.- Eje soporte.
3.- Soporte rodamiento.
4.- Contrapesos.
5.- Polea.
Figura 4.1.3.- Masas excéntricas o contrapesos.
La fuerza resultante del movimiento originado por el giro de ambas
masas, es transmitida al árbol mediante los mecanismos que constituyen la
pinza de la máquina, produciendo en el conjunto árbol-cabeza vibradora un
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movimiento mecánicamente controlable y por supuesto totalmente
controlado que provoca el derribo de la fruta de los árboles.
El accionamiento de las poleas soporte de contrapesos se consigue en
casi todas las marcas mediante correas planas o trapeciales, que transmiten
la potencia desde uno o dos motores hidráulicos, si bien otros
constructores, y esto es una tendencia reciente no exenta de inconvenientes,
aplican los motores hidráulicos directamente a los contrapesos, evitando los
problemas que tienen las transmisiones de potencia por medio de correa,
aunque se puede perder el control de la multidireccionalidad de la
vibración. El número de direcciones en las que se debe mover el árbol al
ser sometido a la vibración generada por el giro de los contrapesos no está
determinado, no hay estudios que aclaren este aspecto, no obstante hay
firmas que en sus catálogos presentan los modelos de vibración más
adecuados a las distintas especies frutales.
Se puede demostrar que el número de direcciones en que se mueve el
árbol durante la vibración queda determinado aproximadamente mediante
la fórmula siguiente (Gil J.,1986):
n=
n1 + n 2
n1 − n 2
Siendo:
n = número de direcciones.
n1 =velocidad angular en r.p.m. del contrapeso que gira más
rápidamente.
n2 = velocidad angular en r.p.m. del contrapeso que gira más
lentamente.
Analíticamente se pueden obtener los gráficos correspondientes a los
diagramas de la vibración teórica que se obtendrían con la combinación de
masas, radios y velocidades de giro de los contrapesos que en ellos se
expresan. Un programa informático realizado en BASIC por el profesor
Porras, cuyo listado se ofrece a continuación, permite predecir el polígono
estrellado de vibración según el cual se moverá el sistema vibrante para
104
cada combinación de masas, velocidades de giro y radios de inercia de los
contrapesos.
1 REM “vibración”
10 PRINT “masa 1 (Kg)”:INPUT m1: PRINT m1
30 PRINT “velocidad angular m1 (rpm)”
40 INPUT nm1: PRINT nm1
50 PRINT “radio de inercia m1 (cm)”
60 INPUT rm1: PRINT rm1
65 PRINT “
70 PRINT “masa 2 (Kg)”: INPUT m2: PRINT m2
90 PRINT “velocidad angular m2 (rpm)”
100 INPUT nm2: PRINT nm2
110 PRINT “radio de inercia m2 (rpm)”
120 INPUT rm2: PRINT rm2
130 LET f1 = m1* (((ABSnm1))) *PI/30)2) *rm1*1010(-2)
140 LET f2 = m2* (((ABSnm2))) *PI/30)2) *rm2*1010(-2)
150 CLS
160 PRINT AT 0,1: m1
161 PRINT AT 1,1: nm1
162 PRINT AT 2,1: r1
163 PRINT AT 0,25: m2
164 PRINT AT 1,25: nm2
165 PRINT AT 2,25: rm2
175 FOR t=0 TO 1 STEP .001
180 LET x=f1*COS(t*nm1*PI/30)+f2COS(2*PI-t*nm2 *PI/30)
185 IF t=0 THEN LET f=80/x
190 LET y=f1*SIN(t*nm1*PI/30)+f2*SIN(2*PI-t*nm2*PI/30)
200 PLOT 125+x*f, 80+y*f
205 PLOT 125,80: PLOT 124,79: PLOT 126,79: PLOT 124,81: PLOT 126,81
210 NEXT t
En la figura siguiente se presentan algunos de los polígonos
estrellados de vibración que se obtiene con el referido programa, los cuales
pueden verse en la realidad observando el movimiento de un punto de la
cabeza vibradora durante la vibración.
105
Figura 4.1.4.- Diagramas teóricos de vibración.
Existe la posibilidad de utilizar el diagrama de vibración para obtener
una valiosa información del funcionamiento de la máquina. Para ello, se
fija sobre la cabeza vibradora una banda de papel sobre la que, midiendo el
tiempo de duración del trazado, se dibuja una línea recta, con el vibrador en
movimiento. Debido a las sacudidas de la máquina, en el papel aparecerá
una gráfica semejante a la que se presenta a continuación.
Figura 4.1.5.- Diagrama de vibración.
Los vértices de la curva indican los puntos del polígono estrellado
que coinciden con los valores máximos de la fuerza centrífuga originada
por el giro de los contrapesos, que son las puntas en el polígono de
vibración, y representan uno de los instantes en que los contrapesos se
superponen. Por tanto, midiendo el tiempo que dura el trazado de la línea y
contado el número de vértices que aparecen en el trazado, se puede
determinar la velocidad angular media de los contrapesos y, por tanto, la
frecuencia de la vibración originada por el vibrador, para lo que, si t es el
tiempo en segundos durante el cual se ha realizado el trazado sobre el
papel, previamente colocado fijo sobre la cabeza vibradora y p el número
de ciclos completos obtenidos al terminar el trazado, y n el número de
vértices por ciclo la velocidad angular media vendrá dada por la fórmula:
106
ω = 30·
p·n
r.p.m.
t
El estudio de este diagrama ofrece además posibilidades de control
de funcionamiento de la cabeza vibradora, pues un gráfico obtenido con la
máquina trabajando correctamente puede servir para compararlo con otro
obtenido en un instante cualquiera e indicar, si son diferentes, anomalías en
el funcionamiento. Estas anomalías pueden ser debidas a la transmisión
desde el motor hidrostático hasta los contrapesos, bien por la falta de
tensión en las correas, lo que origina deslizamiento de la correa sobre la
polea, por la rotura de rodamientos, problemas en el equipo hidráulico, etc.
Figura 4.1.6.- Diagrama de vibración real.
Además, la distancia de vértice a vértice, medida en la posición en
que están colocadas perpendicularmente a la línea del trazado, indica la
amplitud de la vibración, la cual puede ser usada como un claro indicador
de la masa equivalente del árbol vibrado. Las masas de inercia giran en
sentidos contrarios. La forma de invertir el giro de las poleas soporte de
contrapesos es muy variada por ser éste un problema mecánico de
importancia que se presenta a los fabricantes, y es por ello que existen, para
cada firma, patentes que protegen las ideas de cada constructor. Así, las
soluciones adoptadas por las diferentes firmas constructoras de vibradores
multidireccionales de troncos y ramas se pueden agrupar de las siguientes
formas (Porras et al, 1980):
a) Sistema de accionamiento de contrapesos con un solo motor
hidrostático y una correa trapecial única para las dos poleas soporte de
contrapesos.
Figura 4.1.7.- Sistema de accionamiento con un solo rotor y una correa.
107
Esta solución práctica, aunque con notables ventajas en cuanto a
sencillez de montaje y de sustitución de correas, puede, por sus
características, ocasionar rotura de correas, ya que al trabajar sin el
deseable efecto cuña puede producirse deslizamiento, lo que provoca un
rápido deterioro de la correa. Además, debido a que están sometidas a
cambios de dirección al pasar en su trayectoria de un plano a otro paralelo,
puede producirse escape de correas.
b) Sistema de accionamiento con dos motores hidrostáticos y sendas
correas de accionamiento de contrapesos.
En un principio los dos motores hidrostáticos fueron montados en
paralelo girando con sentidos contrarios, es decir, el caudal de aceite
procedente de la bomba se bifurca sin control alguno alimentando los
motores hidráulicos. Es inevitable decir que esta forma de montaje, por su
simplicidad, evita problemas en la instalación. Sin embargo, en este tipo de
accionamiento surge un grave problema, pues supone la pérdida de control
de la deseable multidireccional en la vibración, lo que, aunque no son
conocidos trabajos que los confirmen, puede ocasionar disminución de la
eficacia de derribo puesto que el movimiento del árbol no sigue el
denominado polígono de vibración, sino que vibra apareciendo a modo de
elipse de movimiento que parecen ser poco adecuadas para conseguir
elevadas eficacias de derribo.
Figura 4.1.8.- Sistema de accionamiento con dos motores y dos correas.
c) Sistema de accionamietno con dos motores y una correa
hexagonal.
108
Figura 4.1.9- Sistema de accionamiento con correa hexagonal.
Esta forma de accionamiento de contrapesos representa una
simplificación del sistema de un motor y una correa anteriormente
expuesto. No evita en las correas todos los problemas comentados, pero los
reduce porque utiliza correas de sección hexagonal con doble efecto cuña
en ambas poleas soportes de contrapesos.
d) Sistemas de accionamiento con un motor hidráulico y dos correas
planas.
En este caso se resuelve la inversión del sentido de giro de los
contrapesos utilizando un solo motor hidrostático, el cual acciona una polea
plana doble. Desde dicha polea y con dos correas planas, una de ellas
cruzada, se transmite el movimiento a las poleas soporte de contrapesos.
Figura 4.1.10- Sistema de accionamiento de un motor y dos correas planas.
Este sistema de accionamiento puede presentar como principales
inconvenientes la distinta tensión en ambas correas, lo que origina, además
de deslizamiento, un mal control de la multidireccionalidad de vibración
por producirse deslizamiento entre ellas y las poleas de accionamiento y
soporte de contrapesos y la necesidad de desmontar las poleas motrices y
soportes de contrapesos en caso de rotura de correas.
109
e) Sistema de accionamiento con dos motores y tres correas.
Figura 4.1.11.- Sistema de accionamiento con dos motores y tres correas.
f) Sistema de accionamiento con un motor y dos correas trapeciales.
En este caso, el motor hidrostático de la cabeza vibradora acciona
una polea doble con tallas trapecial y plana. Las poleas soporte de
contrapesos se construyen con forma para que las correas trabajen con el
deseable efecto cuña.
Para conseguir la inversión en el sentido de giro se usa una
transmisión con el esquema que se presenta en la figura siguiente.
Figura 4.1.12.- Sistema de accionamiento con un motor y dos correas trapeciales.
El mayor inconveniente de este montaje es la falta de efecto cuña en
una de las correas. Para evitar o al menos reducir este problema, la firma
constructora opta por incrementar la longitud de contacto de la polea con la
correa aproximando y dimensionando adecuadamente las poleas locas
inversoras.
110
g) Sistema de accionamiento con acoplamiento directo de los
motores a los contrapesos.
Consiste en acoplar los ejes de los motores hidrostáticos
directamente a los contrapesos, los cuales lógicamente giran sobre
rodamientos que impiden cargas en el eje del motor.
Sus ventajas desde el punto de vista de transmisión son claras, pues
no presentan los problemas descritos en las transmisiones por correa, en
cambio, el control de la multidireccionalidad de la vibración, hacen que
estos vibradores presenten ciertos inconvenientes de uso.
Figura 4.1.13.- Sistema de accionamiento sin correas.
h) Vibradores con un solo contrapeso.
Recientemente han aparecido en el mercado vibradores con un solo
contrapeso que se denominan del tipo orbital. Esta idea, que en apariencia
representa una simplificación notable, ya que, no es más que, según
entiende el autor de este trabajo de fin de carrera, una salida comercial de
poco nivel tecnológico, ante la incapacidad de solucionar los problemas
mecánicos que acompañan a la consecución del giro en sentido inverso con
control preciso de las velocidades angulares, o lo que es lo mismo, con
control de polígono estrellado de vibración, no puede ofrecer capacidades
de derribo como las que se obtienen con los vibradores que trabajan
correctamente según el principio de Brandt, ya que en su movimiento lo
que realizan es una centrifugación del árbol y en consecuencia de la fruta,
la cual se rompe su pedúnculo cuando adquiere una fuerza centrífuga
suficiente. Dicha fuerza genera una vibración que cuando se compara con
111
la generada por la misma potencia motriz utilizada con dos contrapesos a
contragiro es notablemente menos eficaz.
El esquema de este tipo de vibrador es el que se presenta en la
siguiente figura:
Figura 4.1.14.- Vibrador con un solo contrapeso.
El equipo hidráulico de todos los vibradores es muy parecido y su
esquema ISO-CETOP, con pequeñas variantes, es el que se expone en la
figura siguiente
16
8
20
7
6
15
5
10
4
12
14
3
2
1
Figura 4.1.15.- Esquema general ISO-CETOP.
112
La vibración se obtiene por la combinación de los sistemas
hidráulico y mecánico. Para ello el aceite contenido en el depósito 1, el cual
debe tener una capacidad mínima en litros de unas 2 veces el caudal
aspirado de la bomba 5 expresado en l/min, es aspirado a través del filtro 2
normalmente colocado en el interior del depósito, y de la llave de paso 3
que se usa para aislar el circuito, por la bomba 5, que es accionada por el
motor alternativo 4. Esta bomba envía un caudal de Q l/min a una presión
máxima regulada por la válvula limitadora y de seguridad 7 y controlada
por el manómetro 6 hacia el grupo de distribuidores. El funcionamiento del
grupo de distribuidores es como se expone en el siguiente ejemplo: El
distribuidor 8, del tipo manual 6/3, en la posición neutra permite el paso
libre de aceite a través de él sin que el circuito adquiera más presión que la
debida a las pérdidas de carga. Accionando la palanca de manejo, la vía de
paso libre se cierra y se abren las vías que, en la llamada posición neutra,
estaban cerradas, haciendo salir el pistón; la palanca envía entonces aceite
en sentido contrario y el movimiento del pistón se invierte.
Idénticos son los funcionamientos de los distribuidores 10, 12 y 14
que sirven para conseguir los movimientos de inclinación, volteo y apertura
y cierre de la pinza. Como se ve en el esquema, en la impulsión del cilindro
15 existe una válvula antirretorno pilotada 19 que evita la apertura y el
trabajo del distribuidor durante la vibración. Así mismo se coloca un
pilotaje con antirretorno 20 que tiene como misión evitar daños en la
corteza y ruidos, ya que por él se rellena el cilindro de cierre durante la
vibración, pues del aceite que se dirige al motor, un pequeño volumen se
deriva por el pilotaje hacia el pistón.
Por último, el distribuidor 16 del tipo manual 4/2, en la posición
neutra permite que el aceite pase por él libremente, llenando sin presión la
tubería que va al motor hidráulico para evitar golpes de ariete y circulando
por las tuberías de retorno hasta el depósito 1. Accionando la palanca de
manejo, la vía de paso libre es cortada y el aceite es desviado por el
conducto correspondiente a accionar el motor 17. Dicho motor transmite su
giro a los contrapesos con cualquiera de los métodos de transmisión de
potencia descritos, originándose así la vibración.
113
Como detalle de información complementaria es interesante añadir
que algunas firmas colocan una bomba suplementaria, utilizada
exclusivamente para los movimientos, lo cual es una gran ventaja técnica
pues, aunque encarece el coste del equipo hidráulico, evita el calentamiento
de aceite y no somete al motor del tractor a sobrecargas durante los
movimientos.
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