La tecnología actual de las abonadoras hace posible su uso en aplicaciones avanzadas, como la dosis variable para agricultura de precisión. ¿Qué ideas hay detrás de los avances técnicos que han hecho evolucionar estas máquinas?
Constantino Valero. UPM.
Las abonadoras de proyección son máquinas ampliamente usadas en todo el mundo para la dosificación de fertilizantes minerales granulados (o semillas) y aparentemente su diseño y principios básicos de funcionamiento no han cambiado mucho desde hace años.
Sin embargo, un análisis más profundo nos descubrirá qué pequeñas modificaciones han permitido una profunda evolución. La importancia de los detalles, como en otros casos, está fundamentada en estudios teóricos y en la aplicación de conceptos técnicos provenientes de otras ramas de la tecnología. Vamos a desgranar en este artículo algunas de las tecnologías que han hecho posible las actuales abonadoras.
El vuelo perfecto
La idea esencial en la que se basa el funcionamiento de las abonadoras de proyección, ya sean de disco o de péndulo, es sencilla: gracias a la trasferencia de energía desde las partes móviles de la máquina (disco o péndulo) hacia las partículas de abono (gránulos, cristales) éstas se ven impulsadas por la acción de fuerzas (centrífuga o alternativa) que las proyectan hacia la parte trasera y laterales de la máquina, volando en una trayectoria de tiro parabólico hasta el suelo.
La base física es muy conocida: ya en el siglo XVI el famoso Galileo puso las bases de la acción de la gravedad sobre proyectiles lanzados al aire, posteriormente Newton en el siglo XVII formuló las leyes físicas de forma precisa, y en los colegios actuales es habitual que nuestros escolares resuelvan con facilidad problemas de lanzamientos de proyectiles.
Pero no es lo mismo dejar que una partícula sea impulsada y vuele libremente, que controlar con precisión ese impulso para dirigir su vuelo con exactitud. Y para ello es necesario desarrollar modelos matemáticos que expliquen en detalle el movimiento de los gránulos en el disco giratorio.
Figura 1. Movimiento de una partícula en el disco.
El trabajo publicado por E. Dintwa y colaboradores en 2004, realizado en la Universidad Católica de Lovaina (Bélgica), supuso un punto de inflexión en el conocimiento de las abonadoras, ya que creó un modelo para la simulación del flujo de partículas en el disco y formuló las ecuaciones que gobiernan el movimiento.
No quiere esto decir que antes no se hubiera estudiado (hay estudios previos que se remontan a los años 60, 80 y 90) pero estos ingenieros belgas fueron los primeros que tuvieron en cuenta las siguientes particularidades:
- Los discos giratorios antiguos eran planos, mientras que modernamente suelen ser cónicos (hundidos en el centro, con bordes más altos) y con diferentes geometrías de paletas insertadas radialmente (diferentes longitudes, ángulos) que arrastran los gránulos
- La descarga de partículas desde la tolva ha dejado de ser en el centro del disco (máquinas antiguas) para pasar a puntos más alejados del centro (máquinas modernas).
- En el impulso y vuelo no sólo influye la fuerza centrífuga y la de la gravedad, sino la fuerza de Coriolis (debida al giro de La Tierra) y la fricción contra las paletas del disco y el propio disco.
Así, estos investigadores formularon con exactitud la trayectoria que describe cada partícula de fertilizante sobre el disco desde el punto de descarga, hasta el extremo donde empieza su vuelo (figura 1). Para ello modificaron las ecuaciones de Newton considerando un nuevo entorno que imprime fuerzas inerciales y rotativas a las partículas. Gracias a ello se puede hoy en día modificar las características del disco, las paletas, el punto de descarga y la velocidad de giro, para conseguir que los gránulos alcancen con mayor precisión el objetivo deseado.
Figura 2. Recipiente construido para recoger las partículas impulsadas por el disco para comprobar los resultados del modelo de elementos finitos.
Sin embargo, los resultados de estos investigadores y otros por todo el mundo demostraron que aun así el comportamiento de las partículas en condiciones reales en campo no podía ser explicado totalmente por las ecuaciones obtenidas. Por ello desarrollaron un nuevo conjunto de ecuaciones aplicando una nueva metodología matemática usada en otras áreas de la ingeniería, llamada DEM (en inglés discrete elements modelling, que puede ser traducida como modelización por elementos finitos).
Figura 3. Dos tipos de disocos, para jardinería (derecha) y para agricultura (izquierda).
Como suele ocurrir en muchas ocasiones, en varios puntos del planeta se desarrollaron y publicaron estudios similares aplicando DEM al movimiento de las partículas en abonadoras centrífugas. Así, el mismo equipo belga que en el caso anterior (figura 2), y otro equipo sudafricano (figura 3) publicaron sendos trabajos en 2009 y 2011, uno dedicado a abonadoras para fertilización de cultivos bajos y otro para frutales, pero ambos empleando la misma tecnología. En cualquier caso, la novedad en estos casos residió en:
- Considerar que las fuerzas de fricción dependen del material del gránulo fertilizante, y varían con su velocidad.
- El caudal de fertilizante saliendo de la tolva afecta al movimiento de las partículas sobre el disco, al vuelo de las mismas y a su distribución final en el suelo.
- La dureza de las partículas influye igualmente en la fricción.
Figura 4. Resultados de la distribución de fertilizantes modelizada por elementos finitos en el trabajo de Coetzee y Lombard (2011).
Los resultados (por ejemplo los de la figura 4) permitieron establecer las bases para usar los modelos DEM a la hora de diseñar nuevas abonadoras, ya que se comprobó que se ajustaban a la realidad (distribución en campo) mejor que las ecuaciones previas, y que variaciones en la velocidad de giro del disco, o en el ángulo de las paletas eran comprendidas mejor, y sus efectos controlados con más precisión.
La realidad supera a la teoría
Sin embargo, a pesar de la modelización matemática avanzada, en las condiciones reales de campo hay factores adicionales que influyen en el funcionamiento de las abonadoras y hacen variar la distribución final del fertilizante esparcido.
Un artículo reciente de la Universidad Massey de Nueva Zelanda (Grafton y cols., 2016) muestra los resultados del estudio de diversos efectos (abonado en pendiente, con giros a favor y en contra de la misma durante el abonado, activado/desactivado de corte lateral para borde de parcela, diferentes dosis, diferentes abonos, con viento, etc.) sobre la homogeneidad de la distribución transversal de abono.
Figura 5. Estudio neozelandés sobre el efecto de pendientes de un 15% sobre el abonado, con giros durante el esparcido.
En la figura 5 se muestra parte de los experimentos realizados, en los que se pusieron a prueba abonadoras líderes en el mercado y dotadas de las últimas tecnologías, como el modelo Axis de Kuhn.
Los ensayos se realizaron con urea, fosfato diamónico y nitrofosfato, en diferentes dosis, y con una anchura útil objetivo de 20 m. A pesar de la avanzada tecnología disponible se comprobaron desviaciones debidas a factores no controlados como:
- Aplicación de más fertilizante a un lado de la abonadora que al otro, con diferencias de entre un 9 y un 30%.
- El uso del mecanismo de corte de abonado en bordes redujo de forma efectiva la distancia de proyección en el lado deseado, pero produjo irregularidades en la distribución de abono en el lado opuesto de hasta un 75%.
Estos resultados nos recuerdan que el uso de la tecnología por sí misma no basta para conseguir un resultado óptimo en cualquier trabajo agrícola, ya que los modelos matemáticos que originan su diseño pueden no haber tenido en cuenta factores externos, y es responsabilidad del técnico que maneja la maquinaria preverlo y regularlo de manera adecuada.
Apuntando con láser
Como hemos visto, está demostrado que las cosas en campo pueden suceder de forma diferente a lo previsto. Por ello, diferentes investigadores han estudiado cómo registrar de forma rápida y precisa la trayectoria de las partículas de abono durante su vuelo.
Un buen ejemplo de ello es el trabajo de García Ramos y colaboradores, publicado en 2011. En este artículo se emplea un láser de barrido 3D para escanear a gran velocidad las partículas lanzadas por una abonadora de doble disco Amazone a 12 m de anchura, moviéndose a 8 km/h, y dosificando 41 kg/min (figura 6).
Figura 6. García Ramos y col. obtuvieron la distribución real «en vuelo» de las partículas de abono con un láser de barrido 3D.
El uso de esta tecnología láser, que mide la distancia a la que impacta cada rayo láser sobre el gránulo de abono en vuelo, permite obtener la superficie de distribución de abono sobre el suelo, y compararla con la distribución real obtenida recogiendo el abono con cajas colocadas regularmente sobre el suelo.
Los resultados conseguidos por este equipo de ingenieros de Huesca con el láser demostraron que esta tecnología es útil para comprobar de forma práctica la dispersión tridimensional de las partículas de abono durante el vuelo, y por tanto sirve para verificar que los modelos matemáticos teóricos y las regulaciones de la máquina funcionan correctamente.
Todo junto, mejor
Hasta ahora hemos visto que las ecuaciones matemáticas nos permiten diseñar mejores máquinas, que las pruebas de campo nos evidencian desviaciones de la teoría y que hay sensores que nos permiten ver lo que el ojo humano no puede. ¿Y si todo ello funcionase de manera coordinada? ¿Y si el sensor fuera a bordo de la abonadora?
Figura 7. El sensor Axmat detectando los gránulos iniciado el vuelo desde el borde del disco.
Eso es lo que pensaron los ingenieros del fabricante de abonadoras Rauch y del fabricante de sensores MSO cuando se pusieron a desarrollar hace más de tres años el sistema Axmat. Este dispositivo, premiado en la feria Agritechnica de 2013 con una medalla de oro, es un sensor instalado en la periferia del disco giratorio de la abonadora y es capaz de detectar los gránulos de abono según inician su vuelo desde el borde del disco (figura 7).
En la revisión de equipos de abonado publicada en Vida Rural (septiembre de 2015) ya mencionábamos este dispositivo, tanto en las máquinas de Rauch como en sus primas hermanas de Kuhn. Externamente el sensor es una caja negra, de plástico alargado montada sobre una pletina que emerge del disco distribuidor.
Internamente (figura 8) el fabricante de electrónica ha dispuesto cuatro filas de sensores de radar miniaturizados que detectan la distancia hasta las partículas de abono mediante el efecto Doppler (emisión de una onda hacia el objeto y medida del tiempo de eco generado, que varía con la velocidad de la partícula).
Figura 8. Componentes internos del sensor Axmat.
Con ello se consigue medir de forma precisa la distancia y el ángulo de salida de cada gránulo de abono en la periferia del disco. Aplicando los modelos matemáticos correspondientes se comprueba cuál será la distancia de caída del abono y la distribución final esperada. Si no son conformes a lo programado por el operario, el sistema de control automático ajustará el punto de caída del abono sobre el disco y el ángulo de las paletas, para variar dicha trayectoria.
Si bien el sistema no es capaz de “ver” todo el vuelo del abono hasta el suelo, sí que puede predecirlo con mayor exactitud que usando solamente las ecuaciones matemáticas, y por tanto es un buen ejemplo del uso de sensores para el correcto auto-ajuste de una máquina.
Como hemos visto, el moderno desarrollo de una máquina de abonado conlleva mucho más que un diseño y unas horas de montaje de chapa y mecanismos. Las avanzadas abonadoras disponibles ahora en el mercado han sido posibles gracias al uso de modelización matemática compleja por ordenador, minuciosos ensayos de campo, tecnología sensórica avanzada y electrónica de última generación. Cualquier fabricante de prestigio lo sabe, y se esfuerza en hacer uso de todas estas disciplinas. n
