Ubicación y características del sitio experimental

El experimento se realizó en las instalaciones de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro ubicada en Buenavista, Saltillo, Coahuila, México (100° 59’ 57” longitud oeste y 25° 23’ 42” latitud norte, a 1 743 m s. n. m.). La textura del suelo del sitio experimental era franco-arcillosa: 34.1 % arcilla, 33.4 % limo, 32.5 % arena y 2.09 % materia orgánica. El clima es seco-árido con precipitación media anual de 435 mm y temperatura media anual de 16.9 °C.

Diseño, componentes e integración del sistema

El patinaje de los neumáticos de un tractor de tracción sencilla (2WD) se cuantifica con la diferencia de la distancia recorrida por los neumáticos de tracción (traseros) cuando el tractor está trabajando (cargado) y cuando está sin carga, esto de acuerdo con la Ecuación 1 (^{Smith et al., 1994}).

donde S es el patinaje de los neumáticos (%), Dul es la distancia recorrida por los neumáticos de tracción sin carga (m) y Dl es la distancia recorrida por los neumáticos de tracción con carga (m). En el método manual estándar, las distancias Dul y Dl se miden en dos ocasiones distintas y, posteriormente, se calcula el patinaje.

Para sustituir las mediciones manuales que se realizan al evaluar los implementos agrícolas, se integraron componentes electrónicos en un sistema para medir los equivalentes de Dul y Dl, y a partir de ello calcular el patinaje.

En la Figura 1 se muestran los componentes del sistema de medición del patinaje, donde los componentes básicos son los codificadores que cuentan las vueltas. En la rueda trasera se fijó un codificador de 500 pulsos (LPD3806-500BM 500 P/R1, China), y para medir las vueltas de la rueda delantera se utilizó un codificador de 400 pulsos (LPD3806-400BM 400 P/R, China).

Figura 1 Componentes del sistema de medición del patinaje basado en codificadores. 

Las señales digitales generadas por los giros de las ruedas se almacenaron en el sistema de adquisición de datos DaqBook 2000 (IoTech, EUA) y se procesaron con el programa DaqView (IoTech, EUA) como archivos .txt. El DaqBook se conecta al tractor y a la computadora a bordo del tractor con el programa Minitab y Excel, donde se puede ver el patinaje calculado.

Con el método automatizado, la medición y el cálculo del patinaje (S, %) de las ruedas de tracción se realizó sobre la marcha (Ecuación 2). Las distancias requeridas se midieron con los codificadores de la siguiente manera: 1) la distancia real (Ad, m) recorrida por el tractor con el implemento se calculó a partir de las vueltas de la rueda delantera medidas con el codificador y 2) la distancia teórica (Td, m), la cual debería recorrer el tractor si no se produce patinaje, se obtuvo a partir de los giros de la rueda trasera de tracción medidos con el codificador.

Prueba y calibración del sistema en laboratorio

La calibración del sistema se realizó en laboratorio con el fin de generar dos ecuaciones (una por cada codificador) para calcular la distancia recorrida por las ruedas traseras y las delanteras. Los codificadores se probaron para verificar y registrar el número de pulsos por cada vuelta. Las señales se almacenaron en el DaqBook 2000 y se procesaron en una computadora. Se realizaron cinco pruebas con 10 repeticiones cada una, y de los resultados obtenidos se registró un promedio de pulsos por vuelta.

Con los radios de las ruedas traseras y delanteras del tractor, se calcularon la Td (Ecuación 3) y la Ad (Ecuación 4):

Con los pulsos por vuelta de rueda y la distancia por vuelta medidos en el laboratorio, se elaboró una base de datos que relaciona el número de pulsos con la distancia de las ruedas traseras y delanteras. Con dicha información, se realizó una regresión lineal (Figura 2) con ayuda del programa Minitab y se generaron dos ecuaciones de la distancia calculada, una de los pulsos del codificador de la rueda trasera (Ecuación 5) y la otra de los pulsos del codificador de la rueda delantera (Ecuación 6).

Figura 2 Relación número de impulsos-distancia de la rueda trasera (izquierda) y la rueda delantera (derecha). 

Prueba de validación del sistema en superficie de asfalto

El sistema de medición del patinaje basado en codificadores se instaló en un tractor John Deere (modelo 6 403, 2WD) con una potencia nominal al motor de 73 kW. El peso bruto del tractor es de 5 590 kg, y la distribución del peso entre la parte delantera y la trasera es de 35 y 65 % (Figura 3).

Figura 3 a) Arado de discos y b) arado de cincel utilizados en los ensayos. 

Para verificar el rendimiento del sistema de medición en una superficie dura, se realizaron pruebas en asfalto. Para ello, se estableció un experimento en bloques aleatorios con cinco distancias como tratamientos (20, 40, 60, 80 y 100 m); cada tratamiento se replicó cuatro veces. Todos los ensayos se realizaron a una velocidad de desplazamiento de 5.65 km·h^-1 y los recorridos comenzaron desde 0 km·h^-1. El sistema fue restablecido por un operador después de cada recorrido para etiquetarlos.

Ensayos del sistema con implementos de labranza

Para validar el rendimiento del sistema en condiciones de campo, se realizaron tres recorridos con el tractor utilizando dos implementos de labranza diferentes (Figura 3). Primero se midió el patinaje del tractor al trabajar con un arado JD645 de cuatro discos lisos (711 mm de diámetro y 6.55 mm de espesor cada uno, con peso total de 642 kg). El segundo ensayo se realizó con un arado de cincel JD610 con ocho cinceles tipo “C” y peso total de 618 kg. Ambos implementos contaban con un acoplamiento de tres puntos categoría II. La velocidad de desplazamiento en estos ensayos fue de 5.65 km·h^-1. La superficie del suelo (capa superior de 0 a 5 cm) de la parcela del ensayo tenía una resistencia a la penetración de 1 045 kPa y una humedad volumétrica de 5.85 %.

Comparación de los resultados del método manual estándar y el sistema basado en codificadores

La comparación de los métodos de medición se realizó en cuatro recorridos del tractor trabajando con el arado de discos. El patinaje se midió simultáneamente con ambos métodos, y se usó como referencia el método manual estándar (^{Smith et al., 1994}). Para el método manual estándar se cuentan diez vueltas de las ruedas traseras (de tracción) con el implemento levantado, y la distancia (Dul) se mide con una cinta métrica. Para la Dl, también se contaron diez vueltas de la rueda, pero con el implemento trabajando, y posteriormente la distancia se midió con una cinta métrica. El patinaje por el método manual estándar se calculó con la Ecuación 1, y por el sistema basado en codificadores se calculó con los datos registrados cuando el implemento estaba en uso.

Evaluación del sistema basado en codificadores a diferentes contenidos de humedad del suelo

Para esta determinación, se estableció un experimento en campo con un arreglo estadístico de bloques al azar. Los tratamientos fueron cuatro niveles de humedad volumétrica del suelo (15, 25, 35 y 40 %), con seis repeticiones cada uno. Las unidades experimentales fueron de 1 m de ancho por 100 m de longitud. Los neumáticos de tracción se lastraron con agua hasta el 75 % de su volumen total, el resto se llenó de aire hasta que la presión alcanzó los 207 kPa. La resistencia media del suelo en la capa superficial (0 a 5 cm) era de 1 637 kPa, la cobertura del suelo era de aproximadamente 80 % y la materia seca era de 3.47 Mg·ha^-1.

La profundidad y la velocidad de trabajo del arado de discos (0.15 m y 4.5 km·h^-1, respectivamente) se mantuvieron constantes para que el único factor que afectara al patinaje fuera el contenido de humedad del suelo. El suelo se regó con un sistema de aspersión hasta alcanzar la saturación en la superficie, y luego se dejó secar hasta alcanzar los niveles de humedad de los tratamientos. El monitoreo del contenido de humedad del suelo se realizó con una sonda TDR (TDR 300, FieldScout®, EUA).

El análisis de varianza y la prueba de comparación de medias de Tukey (P ≤ 0.05) se realizó con el programa estadístico InfoStat v2018.

Prueba de validación del sistema en superficie de asfalto

En el Cuadro 1 se puede apreciar que los patinajes obtenidos en la superficie de asfalto son cercanos a cero, lo cual se produce cuando el tractor hace una tracción mínima, sólo para avanzar con el implemento levantado en una superficie dura (^{Zoz & Grisso, 2003}). De acuerdo con los resultados, el único valor que presentó diferencias significativas fue el patinaje medido a 20 m. El patinaje en recorridos cortos (20 m) no es la mejor condición, pues a partir de 0 km·h^-1 la velocidad objetivo no está bien establecida en distancias cortas.

Los resultados obtenidos en la superficie dura indican que el sistema basado en codificadores mide las distancias y calcula el porcentaje de patinaje adecuadamente bajo esta condición.

Ensayo del sistema con implementos de labranza

En la Figura 4 se muestran los resultados de validación de las mediciones de patinaje con dos implementos de labranza. Las diferencias en los valores obtenidos se debieron, principalmente, a las variaciones en la profundidad de trabajo (0.25 m para el arado de discos y 0.14 m para el arado de cincel), ya que se necesitó más tracción para jalar el arado de discos, lo cual generó un mayor patinaje. Las profundidades de trabajo dependen del peso del implemento (^{Olatunji et al., 2009}); en este caso, el arado de discos era más pesado que el arado de cincel en las mismas condiciones de resistencia del suelo.

Figura 4 Valores medios de patinaje con dos tipos de implementos de labranza. 

Los resultados obtenidos son acordes con el tipo de implemento. El arado de discos demanda una mayor fuerza de tracción en comparación con el arado de cincel (^{López-Vázquez et al., 2019}); por ello, el patinaje fue mayor con el arado de discos. Con el arado de cincel, los valores de patinajes obtenidos fueron más uniformes. Esto se pudo deber a que con dicho implemento se pudo fijar y mantener, con pequeñas variaciones, la profundidad de trabajo.

Comparación del patinaje obtenido con método manual estándar y el sistema basado en codificadores

Se observó una pequeña diferencia en los valores obtenidos con el método manual de referencia (^{Smith et al., 1994}) y el sistema basado en codificadores. La Figura 5 muestra los valores medios de cinco recorridos medidos simultánea con ambos métodos.

Figura 5 Comparación de la medición del patinaje de un tractor con el método manual estándar y el método basado en codificadores. 

El método basado en codificadores es más eficaz que el método manual estándar. De acuerdo con ^{Pranav et al. (2010)}, un error aceptable en la medición del patinaje es de aproximadamente ± 2 %. Por lo anterior, si se considera como referencia el método manual, los valores calculados con el método basado en codificadores están dentro de dicha tolerancia, ya que la media del patinaje de todas las ejecuciones con el método manual es de 7.5 %, y con el método basado en codificadores es de 7.75 %, lo cual da una diferencia promedio de 0.25 %.

Evaluación del sistema basado en codificadores en diferentes contenidos de humedad del suelo

La Figura 6 muestra los resultados de la evaluación en campo. A medida que aumenta el contenido de humedad del suelo, los valores de patinaje son más altos. Con el mayor contenido de humedad se exhibe el umbral de patinaje máximo permitido para las operaciones de campo, que es de 15 %. Estos resultados concuerdan con los reportados por ^{Amponsah et al. (2014)} y ^{Mamkagh (2019)}.

Figura 6 Patinaje del tractor obtenido en cuatro contenidos de humedad del suelo con arado de disco. 

En general, se obtuvieron diferencias estadísticas significativas entre los diferentes contenidos de humedad del suelo (Figura 6), lo cual confirma que las mediciones de las distancias y los cálculos de patinaje con el sistema basado en codificadores son fiables. ^{Tayel et al. (2015)} obtuvieron resultados y tendencias similares al medir el patinaje.