Caja de engranajes del pulverizador de chorro de aire: Accionamiento del soplador de niebla para huertos

Penetración en el dosel vegetal: por qué el flujo de aire es importante en la fumigación de huertos

Un manzano maduro ocupa un volumen de copa de 200 a 600 metros cúbicos: una densa distribución tridimensional de hojas y frutos que se extienden por ramas con una separación que varía desde 15 metros (diámetro exterior de la copa) hasta cero (grupos de ramas interiores). Los pulverizadores de barra convencionales suministran líquido a través de boquillas independientes a baja velocidad (0,5 a 2 m/s en la punta de la boquilla), siguiendo trayectorias balísticas que son interceptadas por las hojas exteriores de la copa a una distancia de 1 a 2 metros del pulverizador. La región interior profunda de la copa, donde se encuentra entre el 60 y el 80 por ciento de la superficie total de la fruta, no recibe ningún tipo de pulverización con el funcionamiento estándar de la barra. Un sistema avanzado caja de engranajes de la toma de fuerza con soplado de aire Esto se soluciona mediante un ventilador centrífugo de alta velocidad que genera velocidades de flujo de aire de 15 a 30 m/s en la salida del ventilador, lo suficientemente rápidas como para transportar las partículas de la niebla pulverizada a través de toda la profundidad de la copa y depositar el líquido en todas las superficies de las hojas y los frutos, independientemente de su posición dentro del volumen del árbol.

El principio de chorro de aire requiere dos salidas separadas del equipo de pulverización: la corriente de aire primaria generada por el ventilador de alta velocidad y el líquido pulverizado introducido en dicha corriente de aire en el punto donde se produce la máxima atomización y transporte de niebla. La unidad de bomba de pulverización (generalmente de tipo centrífugo, idéntica a la bomba de un pulverizador de barra estándar, que funciona a 2500 a 3500 RPM) inyecta líquido a razón de 1 a 3 litros por minuto en la descarga del ventilador principal, donde el aire a alta velocidad atomiza el líquido en gotas de 100 a 150 micrómetros de diámetro. Este tamaño de niebla objetivo, mucho más fino que las gotas de 200 a 400 micrómetros de los pulverizadores de barra convencionales, penetra en el follaje de manera más eficaz y se deposita en las superficies internas de las hojas, que son más pequeñas y están más profundamente agrupadas que las hojas exteriores grandes que reciben el rocío de la barra.

Accionamiento de ventiladores de alta velocidad: desde la toma de fuerza hasta la velocidad del aire en la cubierta.

La velocidad del aire a la salida del ventilador es directamente proporcional a su velocidad de rotación (sin tener en cuenta las pérdidas en el conducto): la velocidad de rotación del ventilador es aproximadamente igual a la velocidad del aire dividida por el radio de las aspas. Un ventilador centrífugo con un rotor de 200 milímetros de diámetro que gira a 6000 revoluciones por minuto produce una velocidad del aire de aproximadamente 20 metros por segundo (cálculo: 6000 RPM × 0,2 m de radio ÷ 60 s/min = 20 m/s). Una mayor velocidad produce una mayor velocidad (ley de afinidad: la velocidad es proporcional a la rapidez), lo que permite al operador experimentado ajustar la profundidad de penetración en la vegetación controlando activamente la velocidad del ventilador mediante el sistema de control de velocidad de la toma de fuerza (TDF) ajustable del tractor o mediante una transmisión de relación variable integrada en la propia caja de cambios. Desde una TDF de 540 RPM, alcanzar una velocidad del ventilador de 6000 RPM requiere una relación de incremento de velocidad de 1:11,1, muy superior a la capacidad de una sola etapa y que exige un esfuerzo considerable. caja de engranajes del pulverizador de chorro de aire con dos o tres etapas de engranajes para distribuir la relación total.

La configuración más común es un diseño de dos etapas con una etapa de entrada de engranajes cónicos en ángulo recto que proporciona un aumento de velocidad de 1:3 a 1:3,5, seguida de una etapa de salida helicoidal de ejes paralelos que proporciona una multiplicación adicional de 1:3 a 1:3,8, lo que resulta en relaciones combinadas de 1:9 a 1:13,3. Este diseño concentra el engranaje de mayor velocidad (la etapa de salida helicoidal) en una disposición compacta y permite que ambas etapas operen dentro de sus rangos de velocidad y par eficientes. Como alternativa, algunos fabricantes de equipos de alta gama utilizan un diseño de caja de engranajes helicoidal de dos etapas con ejes paralelos (diseño en cascada) sin engranajes cónicos en ángulo recto, lo que sacrifica la flexibilidad direccional de una entrada basada en engranajes cónicos (obligando al eje de la toma de fuerza a llegar horizontalmente) pero gana en simplicidad mecánica y una eficiencia ligeramente mayor al eliminar la pérdida de engranaje cónico.

Desde una toma de fuerza de 1000 RPM, la relación requerida baja a 1:6 a 1:8, todavía más allá de la capacidad de un engranaje cónico de una sola etapa (1:5 a 1:6 como máximo), pero alcanzable con un diseño de dos etapas más simple. Fabricantes como Caja de engranajes de toma de fuerza Ever-Power Cada vez se ofrecen más diseños de reductores de aire comprimido específicos para 1000 RPM, destinados al segmento de equipos de alta gama donde la velocidad de la toma de fuerza (PTO) es estándar. La modesta reducción en los requisitos de relación de transmisión se traduce directamente en un tamaño de reductor más compacto, menor costo y mayor eficiencia; ventajas valiosas en las regiones frutícolas compactas donde se concentra el equipo de aire comprimido de alta especificación.

Control de velocidad variable: Adaptación del flujo de aire a las condiciones de la cubierta vegetal.

La penetración y deposición del chorro de aire comprimido depende fundamentalmente del equilibrio entre la velocidad del aire y el caudal de líquido. Al operar a una velocidad del aire muy alta (ventilador de más de 8000 RPM, velocidad del aire de más de 25 metros por segundo) con un caudal de líquido bajo, la niebla se atomiza de forma ultrafina, pero puede dispersarse a favor del viento antes de depositarse en las superficies objetivo, lo que resulta especialmente problemático en días ventosos o en huertos abiertos con poca protección contra el viento. Por el contrario, a una velocidad del aire menor (ventilador de 4000 RPM, velocidad del aire de 12 metros por segundo) con un caudal de líquido mayor, las gotas son más grandes y se depositan con mayor facilidad, pero la corriente de aire carece de la penetración necesaria para llevar la niebla a las copas de los árboles. El punto de operación óptimo varía según el tipo de cultivo (copa densa frente a copa abierta), el tamaño del árbol (enano frente a tamaño normal) y las condiciones climáticas (velocidad del viento, humedad, temperatura).

Por lo tanto, los pulverizadores de chorro de aire avanzados incluyen transmisiones de velocidad variable o embragues que permiten al operador ajustar la velocidad del ventilador de forma continua entre 4000 y 8000 RPM sin modificar la velocidad de la bomba principal. En los equipos modernos de chorro de aire, esto se logra mediante una sofisticada transmisión secundaria de velocidad variable, ubicada entre la salida de la caja de engranajes principal y el accionamiento del ventilador, o mediante una caja de engranajes multirrelación con posiciones de marcha seleccionables que proporcionan velocidades fijas y discretas (normalmente de tres a cinco pasos de velocidad, desde la mínima hasta la máxima). El enfoque más sencillo y práctico —y el más comúnmente adoptado en los equipos utilizados por pequeños productores— es el control de velocidad de la toma de fuerza (TDF) ajustable mediante el regulador del motor del tractor, lo que permite ajustar la velocidad del ventilador para que se adapte eficazmente a las condiciones del terreno, mientras que la bomba principal recibe energía a través de un circuito de accionamiento independiente.

El caja de engranajes del pulverizador de chorro de aire El propio mecanismo debe diseñarse para operar en cualquier punto de su rango de velocidad sin sufrir daños térmicos ni mecánicos. Este requisito es más exigente que el de una caja de engranajes de bomba de velocidad fija, ya que el diseño de los cojinetes y engranajes debe adaptarse tanto a la condición de funcionamiento a plena potencia a velocidad máxima como a la condición de carga parcial a velocidad mínima, sin permitir que la precarga de los cojinetes disminuya excesivamente ni que la temperatura de funcionamiento se salga de los límites aceptables. Los engranajes helicoidales de alta velocidad generan mayores pérdidas de eficiencia (y, por lo tanto, más calor) a velocidades parciales que a velocidad máxima si el diseño de la caja de engranajes no compensa esta característica.

Diseño aerodinámico del ventilador y control del ruido

El ventilador en sí no forma parte de la caja de engranajes (esta solo proporciona la fuerza de rotación), pero la velocidad de salida y el par de entrega de la caja de engranajes influyen profundamente en el punto de funcionamiento del ventilador en su curva aerodinámica. Un ventilador centrífugo presenta una compleja relación aerodinámica entre velocidad, caudal y presión. Al alejarse del punto de diseño del ventilador (la velocidad y la contrapresión óptimas), el flujo de aire se vuelve inestable, produciendo pulsaciones, ruido y una disminución en la calidad de la atomización del chorro.

Una caja de engranajes de alta calidad que proporciona una velocidad de salida suave y estable en todas las condiciones y cargas de funcionamiento permite que el ventilador se mantenga cerca de su punto de funcionamiento de diseño. Por el contrario, una caja de engranajes con una variación de velocidad significativa (más de ±3 % bajo condiciones de carga cambiantes) provoca que el ventilador oscile alrededor de su punto de diseño, produciendo una pulsación audible (un golpeteo similar al de un helicóptero) que indica que el ventilador está buscando un funcionamiento estable. Este funcionamiento pulsante característico reduce activamente la calidad de la atomización del pulverizado, aumenta la contaminación acústica para los residentes cercanos (un problema importante en zonas de cultivo intensivo de fruta donde los huertos están junto a zonas residenciales) y puede acelerar el desgaste de los cojinetes y las aspas del ventilador debido a la carga cíclica asociada con el funcionamiento fuera de las condiciones de diseño.

El nivel de presión sonora medido a 1 metro de un pulverizador de chorro de aire bien ajustado suele ser de 85 a 92 decibelios ponderados A, un nivel alto pero dentro del rango que los operarios pueden tolerar con protección auditiva durante las 2 a 4 horas diarias que este equipo suele funcionar durante la corta temporada de recubrimiento de fruta. Una caja de engranajes que experimenta oscilación de velocidad puede aumentar este nivel de ruido entre 3 y 5 dB(A), lo que supone una duplicación subjetiva de la sonoridad percibida que hace que el funcionamiento sea desagradable y potencialmente peligroso. El aceite sintético para engranajes (a base de PAO ISO VG 220) y los engranajes helicoidales con una alta relación de contacto y un juego reducido son las características de diseño de la caja de engranajes que minimizan la pulsación de velocidad y el ruido en los accionamientos de chorro de aire de alta velocidad.

Gestión térmica a alta velocidad de rotación

La potencia eléctrica disipada como calor residual en una caja de cambios es directamente proporcional al par de entrada e inversamente proporcional a la eficiencia de la caja de cambios. Una caja de cambios de alta velocidad que transmite 30 CV con una eficiencia global del 92 % disipa continuamente 30 × 0,08 ÷ 0,92 = 2,6 kW de calor. Este calor debe disiparse a través de la superficie de la carcasa de la caja de cambios para evitar que la temperatura del aceite supere su temperatura máxima de funcionamiento segura (normalmente de 95 a 110 grados Celsius para aceite mineral para engranajes, y de 105 a 120 grados para aceite sintético PAO). La superficie disponible para la disipación de calor en una caja de cambios compacta de alta velocidad es limitada: una carcasa de caja de cambios que ocupa solo 0,5 metros cúbicos de volumen tiene una superficie máxima de aproximadamente 6 metros cuadrados. A temperaturas ambiente tropicales de 35 a 40 grados Celsius, la diferencia de temperatura disponible para la transferencia de calor por convección es de tan solo 55 a 75 grados Celsius, y el coeficiente de transferencia de calor por convección natural es de solo 5 a 10 W/(m²·K). En estas condiciones, la refrigeración por convección natural es insuficiente para mantener una temperatura segura del aceite sin refrigeración forzada suplementaria.

La mayoría de los sistemas de soplado de aire comerciales caja de cambios agrícola Por lo tanto, los pulverizadores incluyen un enfriador de aceite, ya sea un enfriador de aletas de aluminio con ventilador o una unidad refrigerada por líquido que intercambia calor con el circuito de refrigeración del motor del tractor. El enfriador debe dimensionarse para la disipación de potencia total de la caja de engranajes en las peores condiciones de calor. Una caja de engranajes de chorro de aire de 30 HP que opera en condiciones ambientales de 40 grados y disipa 2,6 kW requiere una capacidad de enfriamiento de al menos 3 kW para mantener una temperatura de funcionamiento segura con margen para la acumulación de suciedad y la degradación de la eficiencia durante la temporada. Los enfriadores de tamaño insuficiente o con especificaciones incorrectas son una causa principal bien documentada de fallas térmicas en las cajas de engranajes y fallas catastróficas en equipos comerciales de pulverización por chorro de aire, lo que resulta en oxidación del aceite, desgaste de los cojinetes y falla prematura de los dientes de los engranajes.

Mantenimiento estacional y almacenamiento fuera de temporada

Los pulverizadores de chorro de aire tienen patrones de uso marcadamente estacionales: normalmente de 30 a 100 horas de funcionamiento concentradas en un periodo de 6 a 12 semanas, cuando la fruta se encuentra en la etapa crítica de crecimiento que determina su tamaño final y su valor de mercado. Los largos periodos de inactividad característicos entre las temporadas de pulverización activas presentan desafíos de mantenimiento únicos y exigentes. Durante el almacenamiento, la caja de engranajes sufre ciclos térmicos que introducen humedad en la carcasa a través del respiradero, y cualquier exposición a la lluvia o a una alta humedad puede saturar el aire atrapado en su interior. Esta humedad se acumula en el punto más bajo de la carcasa (el fondo del cárter de aceite), donde inicia la corrosión por picaduras en las superficies de los engranajes y los cojinetes. Las picaduras de corrosión actúan como puntos de concentración de tensiones, donde las grietas por fatiga de los cojinetes se inician antes que en un material sin picaduras.

La preparación previa a la temporada debe incluir un cambio de aceite con aceite sintético PAO nuevo para engranajes, una inspección visual de todas las posiciones de los cojinetes para detectar decoloración o corrosión, y una limpieza completa del enfriador de aceite para eliminar cualquier polvo o residuo acumulado. Durante la temporada de operación, supervise el flujo de aire del enfriador diariamente: las hojas, el polvo de fruta y la deriva de otros equipos de pulverización cercanos se acumulan en las aletas del enfriador y reducen progresivamente la eficacia de la refrigeración. Si la temperatura del aceite sube por encima de los 100 grados Celsius en condiciones normales de funcionamiento, el enfriador necesita limpieza antes de continuar la operación. Comprobación diaria del eje de la toma de fuerza La lubricación de las juntas universales es esencial: el funcionamiento prolongado a alta velocidad genera un calor por fricción y un desgaste considerablemente mayores en los cojinetes de las juntas universales que los que se producen en implementos agrícolas de baja velocidad, lo que acelera el desgaste de los cojinetes si la grasa no se mantiene en un nivel adecuado para su protección. Los proveedores de equipos especializados en tecnología de cajas de engranajes especifican diseños de juntas universales de alta resistencia (serie 6 o superior) para aplicaciones de chorro de aire, con el fin de prolongar la vida útil de la transmisión en entornos operativos de alta velocidad.

Preguntas frecuentes

Editor: Cxm