costruccion ensiladora

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Scientia et Technica Ao XIV, No 40, Diciembre de 2008. Universidad Tecnolgica de Pereira. ISSN 0122-1701 54

Fecha de Recepcin: 8 de Septiembre de 2008.

Fecha de Aceptacin: 16 de Noviembre de 2008.

DISEO DE MQUINA PARA EMPAQUE DE FORRAJE DE MAZ PARA ENSILAJE:DOSIFICADO Y COMPACTADO

Design of a maize forage packing machine use for ensilaje: dosification and pressing

RESUMENEn el siguiente artculo se presenta una propuesta para la industrializacin del

proceso de empaque de forraje de maz utilizado para ensilaje, el cual esutilizado como alternativa de alimentacin para el ganado. En este trabajo se

describe el diseo de mquina y el diseo, construccin y pruebas del prototipo

para dosificar, compactar y adicin de nutrientes del forraje del maz. Se

describen las pruebas de compactacin realizadas para determinar la fuerza

requerida por unidad de rea tal que permita extraer la mayor cantidad de aire,que conserve su forma y evite la prdida de nutrientes.

PALABRAS CLAVES: Compactacin, Diseo de mquina, Dosificacin,

Ensilaje de maz

ABSTRACTA new proposal of a maize forage packing machine used for ensilage is

presented in this article; the forage is used as an alternative for feeding cattle. A

description of the design of the machine and the design, construction and tests ofits prototype for the dosification, pressing and addition of nutrients to the maize

forage is presented in this work. The pressing test to determine the force

required for extracting the maximum amount of air that conserves its form and

avoids the loss of nutrients are also described.

KEYWORDS:Compactation, Dose, Ensilage of maize, machine design

MARLON JHAIR HERRERAIngeniero Mecnico,

Profesor CatedrticoFacultad de Ingeniera Mecnica

Estudiante de maestra

Sistemas Automticos Produccin

Universidad Tecnolgica de Pereira

[email protected]

JOANNI MEDINA

Ingeniero MecnicoEstudiante de maestra

Sistemas Automticos ProduccinUniversidad Tecnolgica de Pereira

[email protected]

HCTOR FABIO QUINTEROIngeniero Mecnico, M. Sc, Ph. D

Profesor Asociado

Facultad de Ingeniera Mecnica

Universidad Tecnolgica de [email protected]

1. INTRODUCCINDurante aos se ha planteado la alternativa, de almacenar

y conservar el alimento que se produce de ms en las

pocas de abundancia, con el propsito de poderlo

suministrar a los animales, en los tiempos cuando el

alimento escasea o pierde calidad nutricional. Esta

alternativa de solucin est siendo solo empleada poragricultores y ganaderos que tienen los suficientes

recursos tecnolgicos y econmicos, debido a que esta

labor requiere utilizar gran cantidad de mano de obra,adems de recursos tecnolgicos como tractores y

cortadoras, lo que la hace poco viable para el campesino

que no cuenta con estos elementos.

La Organizacin de las Naciones Unidas (ONU), en sudivisin para alimentos y agricultura (FAO), manifiesta

por medio de varios documentos acerca del ensilaje, la

necesidad de un equipo que permita facilitar lasdiferentes etapas del proceso, especialmente para los

pequeos campesinos, los cuales realizan la mayora deltrabajo artesanalmente, [1]. El presente trabajo busca ser

parte de la solucin a este problema, por medio del

diseo de un equipo que adems de mecanizar lasdiferentes etapas del proceso sea eficiente y econmico.

El ensilaje puede ser definido como un mtodo de

conservacin de forraje en el que la mayora de la

energa, protenas y otros nutrientes que se hallaban

originalmente en la planta, permanecen en una forma quepuede ser utilizado eficientemente por las vacas deproduccin lechera, [2]. Tcnicamente, se define como

un mtodo de conservacin de un recurso de alimento

que est basado en la eliminacin de aire (oxgeno)

contenido en la masa de alimento, para promover la

fermentacin de azcares a cido lctico. Esta

eliminacin se debe a unas bacterias cido-lcticas quecausan un incremento de acidez (reduccin en el pH), lo

cual inhibe la degradacin de ensilaje por enzimas

vegetales (primariamente enzimas degradantes proteicas),especies indeseables de bacteria (enterobacteria,

clostridia), levaduras, hongos, y las mismas bacteria

cido lcticas, [3].

En este artculo se presenta el diseo de una mquinapara, empacar y compactar el alimento que se produce de

exceso en las pocas de abundancia, facilitando su

almacenamiento y conservacin. Se presenta las pruebasrealizadas al prototipo de la mquina diseada.

Con el fin de garantizar una excelente calidad del

alimento durante mucho tiempo, se debe evitar, que una

vez compactado y empacado el producto, entre encontacto con el aire. Para ello, se deben realizar procesos

adicionales al sistema de empaque de tal manera que

aseguren la calidad del alimento en el momento en que

ste sea requerido. En un trabajo paralelo [4], se realiz


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el diseo y pruebas del sistema de vaco y sellado de las

bolsas.

2. PROCESO DE ENSILAJEEl ensilaje puede ser definido como un mtodo deconservacin de forraje en el que la mayora de la

energa, protenas y otros nutrientes que se hallaban

originalmente en la planta, permanecen en una forma que

puede ser utilizado eficientemente por las vacas de

produccin lechera, [5, 6].

El objetivo de producir ensilaje es aprovechar el

excedente de forraje producido en la poca de abundanciapara alimentar el ganado durante pocas crticas, bien sea

por sequa o por el exceso de lluvia que pudre los pastos.

Pero an en condiciones no crticas, sino en el ciclonormal de invierno-verano, la conservacin de alimentos

es una prctica que se debe imponer como condicin para

la competitividad de la ganadera, en cuanto permitirsostener una oferta estable de carne y leche a los

consumidores nacionales y extranjeros.

Se trata, por lo tanto, de mantener durante todo el ao

niveles estables de produccin, a partir de mantenertambin estables las condiciones de productividad de los

animales. Es importante conservar la cantidad y calidad

de alimento, y, aunque hay otras alternativas, el ensilaje

es quizs la ms prctica y fcil de desarrollar para elganadero.

El ensilaje no es otra cosa que forraje verde picado (de

gramneas, cultivos anuales, leguminosas), conservado enla ausencia de aire y recolectado en bolsas plsticas o en

depsitos denominados silos.

Se aprovecha el excedente de forraje producido en lapoca de abundancia para suministrarlo en pocas

crticas. Se cosecha y se ensila el forraje en su punto

ptimo, preservando al mximo los nutrientes. Senecesita menos concentrados del mercado, disminuyendo

as los costos de alimentacin. Se pueden conservar

forrajes por mucho tiempo con prdidas pequeas. Los

materiales ms utilizados en procesos de ensilaje son, por

ejemplo: maz, sorgo, caa, Cratylia, Caup, totumo y

yuca, entre otros. Para cantidades pequeas, normalmenteentre 20 kg y 40 kg, se utilizan silos de bolsa plstica y

de barril (caneca), lo que facilita su transporte,

comercializacin y, principalmente, el proceso mismo deensilar.

El ensilado de forraje de maz requiere una serie de pasos

que van desde la recoleccin de la cosecha hasta el

empacado del producto para su distribucin final. Acontinuacin se describen los pasos:

Recoleccin: se recoge el maz estando an verde (a loscien das de la siembra aproximadamente), y se pica en

pequeos trozos. Esto se hace mediante una mquinaarrastrada por un tractor, que corta la mata de maz

dejando la zoca (trozo del tallo que se eleva poco menos

de 25 cm), picando la mata y descargndola en un

remolque con capacidad de 1,5 toneladas.

Compactacin: se compacta el forraje de maz paraeliminar el exceso de aire. Para esto se descarga el forrajedel remolque sobre un plstico (de 7 m por 10 m) y

posteriormente un tractor pasa sobre el para compactarlo,

figura 1.

a) Descargue

b) Compactacin

Figura 1. Imagen de descargue y compactado de forraje

para ensilaje, [1]

Rociado: el forraje de maz es rociado con un productopara acelerar el proceso de fermentacin, este producto

puede ser melaza. Esto se hace usando una fumigadora de

espalda.

Sellado: todos estos pasos se repiten hasta acumular unacantidad aproximada de diez toneladas en el silo,

momento en el que se tapa el silo con un plstico de la

forma mostrada en la figura 2, una vez tapado se dacomienzo a la fermentacin anaerbica.

Empacado: el ensilado tarda alrededor de 25 das paraestabilizarse, y queda listo para ser removido. Para estose retira la cubierta del silo, y el ensilaje se empaca

manualmente en bolsas plsticas de alto calibre (150 m

de espesor), generalmente se empaca de 30 kg a 60 kg,

dependiendo del cultivador. El forraje empacado searruma a la intemperie en lugares abiertos para evitar el

ataque de roedores. Una vez empacado el ensilaje esta

listo para ser distribuido comercialmente.


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Figura 2. Imagen de silo tipo bunker, [1]

3. PRUEBA DE COMPACTACINEsta prueba se realiza para evaluar la fuerza requerida

por unidad de rea, que permita extraer la mayor cantidad

de aire de las plantas de maz previamente picadas, y quees vital para el proceso de fermentacin anaerbica,

adems de reducir significativamente el volumenocupado por el producto. Tambin se busca probar que,una vez compactado el producto, ste puede conservar

una forma que, al terminar el proceso de empaque,

facilite la labor de almacenamiento y conservacin; dichapresin debe evitar la prdida de humedad y como

consecuencia la prdida de nutrientes y valor alimenticio

del forraje.

Con el fin de determinar el valor aproximado del peso

especifico del forraje, F, se requiere encontrar una

relacin entre el peso del forraje compactado, WC, y elvolumen que ste ocupa despus de ser compactado, VC.

CF

C

W

V = (1)

El peso especfico permite calcular el tamao de los

contenedores que se deben construir de acuerdo con el

peso que se desee compactar, tanto en el prototipo como

en la mquina. Debemos recordar que una de las

condiciones bsicas del proceso de ensilaje es lanecesidad de cortar la planta de maz en unas condiciones

de humedad especfica, aproximadamente entre 70 y 75

%, lo que da validez a la bsqueda del peso especfico del

forraje, ya que ste tiene un valor aproximadamente

constante.

Tabla 1. Peso especfico del forraje para diferentes

tamaos de mquinas compactadotas, [7]

Peso delforraje (kg)

Volumen final delforraje (m3)

Peso especfico del

forraje (kg/m3)

50 0,1 500

450 0,8 560

650 1,1 590

En este estudio, se utiliza la primera relacin de peso

especfico por ser la ms aproximada al volumen y peso

que se desea compactar (40 kg), por lo que se elige un

peso especfico F= 500 kg/m3.

En el prototipo se compacta un peso cercano a 0,5 kg deforraje, por lo que se calcula el volumen aproximado que

ocupa el producto despus de ser compactado.

3

3

F

0,5kg0,001m

500 kg/m

WV = = =

(2)

El recipiente que se utiliza para realizar el compactado esde base cuadrada de 10 cm de lado, la altura terica

despus de ser compactado el forraje es de 100 mm.

Para corroborar los clculos anteriormente realizados, seconstruye un contenedor de lmina de hierro calibre 12

de apertura central, Figura 3.

Figura 3. Mecanismo para prueba de compactacin delforraje

4. RESULTADOSPara realizar la prueba de compactacin, se elige un

cilindro hidrulico existente en el laboratorio de sistemas

dinmicos de la facultad de Ingeniera Mecnica de laUniversidad Tecnolgica de Pereira, el dimetro del

embolo es de 2 pulgadas, con este cilindro se genera la

fuerza necesaria para lograr el compactado del forraje,

segn los clculos anteriormente realizados.

Las pruebas de compactacin del forraje se llevan a cabobajo las siguientes caractersticas

Un peso del forraje compactado de 500 gramos.

Una presin de compactado entre 414 kPa (60 psi) y690 kPa (100 psi).

Luego de alcanzar el valor de presin de la prueba,sta se mantiene por un tiempo de tres segundos.

Para cada prueba se consigna el valor del volumenocupado por el forraje antes y despus de sercompactado.

En cada prueba se verifica que el forraje una vezcompactado mantenga la forma con el fin de facilitar

su manipulacin y almacenamiento sin presentar

escurrimiento del material a ensilar.


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Se utilizan bolsas comunes, de las utilizadas en lossupermercados con el fin de empacar el forraje, las

medidas de estas bolsas son: 22 cm x 40 cm.

Las pruebas de compactacin se realizaron a 414 kPa,

483 kPa, 552 kPa, 621 kPa y 690 kPa. En la primera

prueba, El forraje no mantuvo por mucho tiempo la

forma, perdi cohesin y se desmorono, no se presentaprdida de agua. En la prueba a 483 kPa, El forraje

mantuvo la forma, pero se poda apreciar al contacto que

aun exista posibilidad de lograr un mayor grado de

compactacin, no se presenta prdida de agua. En latercera prueba a 552 kPa, El forraje mantuvo la forma, se

poda observar una muy buena compactacin pues a

pesar de sacar el producto de la bolsa, ste conserva su

forma de cubo no se aprecia prdida de liquido. En laprueba a 621 kPa, el forraje mantiene la forma, no vara

significativamente con respecto a la prueba anterior se

observa una muy buena compactacin, se nota un pocode humedad en las paredes de la bolsa, pero no se puede

precisar una prdida de lquidos. Finalmente en la prueba

a 690 kPa, el forraje mantuvo la forma, el producto est

muy bien compactado pero se aprecia una mayor

cantidad de humedad en las paredes de la bolsa. El

volumen antes y despus de compactar fueron,respectivamente 2,6 x 10-3m3y 1,1 x 10-3m3

5. APLICACIN DE LOS RESULTADOSOBTENIDOS EN LA PRUEBA DECOMPACTACIONEstablecido ya el valor de presin con el que se obtiene la

mejor compactacin del forraje, se puede realizar unaaproximacin al tamao del contenedor que se debeconstruir para lograr compactar 40 kg de forraje, adems

de establecer un valor cercano de la magnitud de la

fuerza que debe aplicarse en el proceso. Para ello se

determinan las caractersticas del forraje que es

compactado a una presin de 552 kPa (80 psi).

Clculo de la Presin de Compactacin Sobre elForrajeLa fuerza desarrollada por el vstago del cilindro, FV,aplicada sobre el rea de la platina que compacta el

forraje, permite establecer la presin por unidad de rea

que se ejerce sobre el.

2

V TUH P 552 kPa 0, 002 m 1,1kNF p A= = = (3)

dondeFves la fuerza desarrollada en el vstago, pTUHes

la presin de trabajo de la unidad hidrulica,Apes el readel pistn, pc es la presin de compactacin sobre el

forraje,Apces el rea de la platina de compactado.

Clculo del Peso Especfico del Forraje3C

F 3 3

C

0,5kg417kg/m

1, 2 10 m

W

V= = =

(4)

Clculo de la Relacin de VolmenesSe puede establecer una relacin entre el volumen queocupa el forraje antes y despus de ser compactado

3 3

OV 3 3

F

2,6 10 m 2,21, 2 10 m

VRV

= = =

(5)

siendoRvla relacin de tamaos

Clculo Aproximado del Tamao del ContenedorEn esta etapa del proyecto no se pretende el clculo

exacto de las dimensiones del contenedor para compactar

40 kg del producto, se busca obtener una aproximacin

del tamao del contenedor, esta informacin es requeridapara el anlisis del diseo definitivo.

Volumen Ocupado por 40 kg de Forraje

Utilizando el peso especfico del forraje y el peso que sedesea compactar obtenemos el volumen final.

3

F 3

40kg0,096m

417kg/m

WV = = =

(6)

Si se toma la decisin que la forma del forrajecompactado es un cubo, el valor de sus aristas ser:

3 30,096m ; 460mmL L= = (7)

Por lo tanto, el rea de compactado,AC,sera:

( )22 2 2

C0, 46m 0,2116m 328 pulgA L= = = = (8)

6. DESCRIPCIN DEL DISEO FINAL DELPROTOTIPO DE LA MQUINACon el fin de cumplir las necesidades especificadas parael equipo, en se plantea el diseo de una mesa giratoria,

la cual en la parte superior, aloja cuatro cajones

construidos en lmina de aluminio, cada cajn tienepuertas que permiten una fcil extraccin del producto y

que denominamos contenedores, ver figura 4.

Figura 4. Mesa giratoria y contenedores


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Tabla 2. Descripcin de las estaciones de trabajo

Estaciones de

trabajoDescripcin

Presencia del

operario

Estacin 1Preparacin del

contenedorSi

Estacin 2Pesaje y llenado

del contenedorNo

Estacin 3 Compactado No

Estacin 4Extraccin del

productoSi

Estacin 1: PreparacinComo su nombre lo indica, el operario encargado de estaestacin, debe preparar el contenedor para que se pueda

llenar con el forraje a compactar. Para realizar esta

operacin, se deben abrir las puertas del contenedor y

apoyar, en su borde superior, la bolsa encargada decontener el forraje. Una vez que el operario realice

correctamente esta operacin, debe verificar que laspuertas del contenedor estn debidamente cerradas. Al

finalizar esta labor la mesa debe girar 90 a la estacin 2.

Estacin 2: Pesaje y Llenado del ContenedorUna vez que el forraje ha sido transportado desde la zonade descarga hasta la mquina, es enviado hasta una tolva

identificada como 1 en la figura 4, y que est ubicada

encima de la estacin 2. En esta tolva se determina el

peso a compactar por medio de una balanza digital y quese marca como 3 en la figura 4, la cual una vez que

detecta el peso establecido, enva una seal que acta una

vlvula direccional. Esta vlvula controla la compuertaque permite el paso de forraje entre la tolva y elcontenedor, este ultimo identificado como 4 en la figura

4, y al cual previamente se le coloca la bolsa en la

estacin 1, cuando esta operacin finaliza, la mesa gira

otros 90 hasta la estacin 3.

Estacin 3: CompactadoCuando el contenedor llega a la estacin 3, el sensor de

posicin de la mesa indica un alineamiento entre el

cilindro de compactado y el contenedor. Cuando esto se

cumple, el cilindro es accionado desplazndose para

compactar el forraje que est al interior del contenedor,

hasta alcanzar el valor de presin de compactado ysostener dicho valor por un tiempo de tres segundos. Unavez finalizado este tiempo, el cilindro retorna hasta actuar

un final de carrera que enva una seal para permitir

nuevamente el giro de la mesa hasta la estacin 4. Paraevitar que la mesa giratoria se deforme o se presenten

daos en el eje central y sus rodamientos, durante los

repetitivos procesos de compactacin, se disearon dos

rodillos los cuales se ubican bajo la mesa rotatoria y en la

posicin de la estacin de compactado. El propsito deestos rodillos es soportar la fuerza generada por el

cilindro, protegiendo as el eje central de la mesa y los

rodamientos a grandes esfuerzos de flexin.

Estacin 4: ExtraccinEn esta estacin un operario se encargar de abrir las

puertas del contenedor y extraer la bolsa con el forraje

compactado. Una vez extrada la bolsa el operario debe

realizar dos operaciones: la primera consiste en cerrar laspuertas del contenedor, con el fin que la mesa gire

nuevamente y el contenedor inicie un nuevo ciclo; en la

segunda operacin, se debe entregar la bolsa con el

ensilaje compactado a la mquina que debe realizar el

proceso de extraccin del aire y sellado de las respectivas

bolsas.

Accionamiento de la Mesa GiratoriaEl giro de la mesa se logra por medio de un cilindro

hidrulico, el cual acciona un brazo mecnico que est

acoplado a un trinquete unidireccional, figura 5.

Figura 5. Mecanismo para el giro de la mesa

1. Cilindro, 2. Brazo, 3. Trinquete unidireccional, 4. Eje,

5. Soporte de rodamiento, 6. Mesa giratoria, 7.Contenedor, 8. Final de carrera

El giro de la mesa se logra nicamente cuando el cilindro

se extiende, pero al contraerse el cilindro nuevamente

mueve el brazo pero no la mesa. En cada movimientocompleto del cilindro, es decir avance y retroceso, se

logra un giro de 90 de la mesa. Para mover este cilindro

se aprovecha la unidad hidrulica seleccionada para el

proceso de compactacin. Tanto para la carrera de avance

como de retroceso, se utilizan vlvulas reguladoras de

caudal con el fin de controlar la velocidad de giro de lamesa, adicionalmente se deben utilizar dos finales de

carrera que permitan identificar cuando el cilindro

presenta el vstago extendido y cuando retrado. En lalgica de los movimientos de la mquina, se obligar a

este cilindro a estar extendido hasta finalizar el proceso

de compactado. La mesa giratoria sirve como plataforma

de apoyo para los contenedores, el material usado para suconstruccin es lmina de acero estructural A-36.

Sistema de TransporteSe dise un sistema de transporte neumtico encargadode transportar el forraje del sitio de descargue hasta la

tolva en la que se realiza el pesaje. Este sistema facilita la


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extraccin del producto del lugar de descargue sin la

necesidad de un sistema de almacenamiento adicionalminimizando el trabajo fsico de los operarios, adems de

evitar la contaminacin del material transportado. Este

sistema es de fcil construccin y su nmero limitado depiezas lo hace muy confiable.

El paso del forraje a la tolva es permitido por un dmper

accionado por un cilindro. Este sistema se abre o se cierrapor la seal enviada desde la bscula digital, el dmper

permanece abierto hasta que la bscula detecte un peso

de 40 kg y envi una seal que activa el sistema de cierreel cual impide el paso de forraje a la tolva.

En busca de entregar un producto totalmente terminado,

la mquina diseada para dosificar, pesar y compactar el

forraje de maz, debe ser complementada por un equipo

que permita realizar vaco y sellado a las bolsas en lasque se compacta el forraje. Este equipo ha sido diseado

en un trabajo paralelo Equipo para el empaque al vacode forraje de maz para ensilaje[3]. Los dos proyectos se

desarrollaron, buscando que cada uno de ellos sea el

complemento del otro y as ofrecer una solucin integral

al sector agropecuario dedicado a la produccin deensilaje para la alimentacin de ganado.

5. CONCLUSIONESEl tamao y peso del equipo diseado, permite que ste

sea instalado en la parte superior de un remolque,

facilitando su transporte, esta caracterstica del equipo

hace que sea viable su adquisicin por parte deasociaciones y cooperativas de campesinos, las cuales

pueden emplear el equipo para compactar y empacarrpidamente el forraje cosechado en una finca, y,

posteriormente, trasladarlo para que realice las mismasoperaciones en otra, esto gracias a la capacidad de la

mquina.

La construccin de un prototipo como base para eldesarrollo y prueba del diseo definitivo del equipo,

permite evaluar la eficacia y la eficiencia de los sistemas

seleccionados, con un costo relativamente bajo. Un valor

agregado del prototipo, es que facilita la correccin de

problemas, adems de poder realizar ajustes y cambios,incluso detectar la inviabilidad de un equipo, aspectos

estos que de otra manera slo seran detectados cuando lamquina fuera construida, con las respectivas prdidas detiempo y dinero.

Aunque la mquina fue diseada para empacar ycompactar forraje de maz, puede utilizarse para realizar

las mismas operaciones con otros tipos de forraje

utilizados para la obtencin de ensilaje, siempre y cuandose tengan condiciones similares de tamao y humedad

por parte del forraje. En caso que estas condiciones sean

diferentes, y exista la necesidad de procesar el forraje, la

presin de compactacin puede ser ajustada fcilmente,sin que ste genere problemas de sobreesfuerzo en el

equipo.

Una vez realizadas las pruebas de compactacin, seconcluye que las mejores opciones de trabajo se obtienen

a una presin de 552 kPa (80 psi) debido principalmente

a los siguientes aspectos:

Se obtiene una muy buena compactacin delproducto con lo que se logra una eficiente extraccindel aire al interior del forraje.

La consistencia del compactado es muy similar a losobtenidos a 621 kPa y 690 kPa, pero sin tanto

consumo de potencia, lo que ser vital a la hora del

diseo del equipo.

No se presenta prdida de fluidos en el forraje.

Se descartan las presiones de compactado de 414kPa y 483 kPa debido principalmente al bajo nivel de

compactacin que se obtiene en el forraje.

Con los resultados obtenidos en la prueba decompactacin seleccionada es posible realizar un

dimensionamiento del tamao real del contenedor que se

debe construir para lograr empacar y compactar 40 kg de

forraje, as mismo dimensionar los diferentes elementosque permitan realizar esta labor

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