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RESUMEN

En este trabajo se diseñó y construyó el prototipo a nivel de laboratorio de una maquma

cosechadora de café con el propósito de estudiar una alternativa mecanizada para la recolección

del café en Colombia. La metodología utilizada fue la aplicación del método de diseño en

Ingeniería que comprendió la definición del problema, búsqueda de antecedentes, estudio de

alternativas y selección, dimensionamiento, análisis cinemático, dinámico y de resistencia de los

diferentes sistemas, construcción y ensamble del prototipo.

Utilizando esta metodología se explica paso a paso las diferentes fases del diseño, aplicadas a un

caso específico en la ingeniería agrícola: el desarrollo de un prototipo para la cosecha mecanizada

del café; pudiendo ser utilizado este trabajo como guía y ejemplo para los estudiantes de los

cursos de mecanismos y diseño de maquinaria agrícola.

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INTRODUCCIÓN

Las máquinas que cosechan en fonna continua sobre las calles de cultivos (<<over-the-row») bajo

el sistema de espaldera (<<trellis»), utilizadas en la cosecha de viñedos, manzanas, arándanos,

melocotones, frambuesas y moras, fueron desarrolladas en los años 50's por diferentes

instituciones en EElm, tales como, USDA, Tree Fruit Research Center, Míchigan State

UIÚversity y otras (1, 22).

Estas máquinas que avanzan en forma continua sobre la fila de arbustos (surco) sin sujetarlos en

algún punto específico, utilizan un conjunto de varillas o dedos para vibrar en la dirección

horizontal o vertical el follaje de la planta con el propósito de desprender los frutos maduros.

Realizan en forma simultanea el desprendimiento y captura de frutos, separación de hojas e

impurezas yel almacenamiento del producto cosechado. Aunque muchos avances se han logrado

en los últimos diez años, los principios mecáIÚcos básicos de los primeros desarrollos aun están

vigentes (25).

Las máquinas cosechadoras de uvas han incorporado un principio de vibración denominado

vibración lateral sobre varios puntos del tallo, el cual utiliza rieles o barras paralelas (llamados

también paneles) a cada lado del arbusto, para impartir una vibración horizontal a la parte superior

de la cepa y/o a los alambres del sistema de espaldera. Con este sistema no se presenta un

contacto directo (o este es poco) de los rieles con los racimos de frutos o con las hojas,

minimizando el daño y la defoliación.

Este principio de vibración no se encuentra reportado para la recolección mecanizada de café, si

bien es cierto las caracteristicas de los frutos de café difieren de las «berries», las ventajas

reportadas de estas vibraciones en la cosecha de uvas muestran una alternativa interesante de

explorar para la cosecha mecaIÚzada del café. En este trabajo se desarrollo un prototipo que

permite estudiar la vibración lateral aplicada en múltiples puntos al tallo del café con mínimo

contacto, para investigar si este principio de vibración permite la recolección continua y selectiva

de café con alto rendimiento y mínimo daño al árboL

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1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Contribuir a la disminución de los costos de recolección del café mediante el desarrollo de

tecnologías mecanizadas que pennitan el desprendimiento selectivo de los frutos maduros.

1.2. OBJETIVO ESPECÍFICO

Desarrollar un prototipo para estudiar a nivel de laboratorio el principio de vibración lateral

simultánea de múltiples puntos al tallo del café.

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2. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1. COSECHA MECANlZADA SOBRE WS SURCOS DEL CULTIVO.

La cosecha sobre los surcos del cultivo es uno de los sistemas de recolección mecanizada de

flutos más utilizada en el mundo. Las operaciones de desprendimiento, captura, separación de

. impurezas, transporte y almacenamiento de los flutos se realizan en forma continua directamente

sobre los surcos del cultivo.

Los primeros sistemas de vibración de las máquinas cosechadoras que utilizan este principio a

nivel comercial se conocieron con diferentes nombres; VIbradores de rotación y de vaivén,

golpeadores o batidores. Con este tipo de cosechadoras mecánicas incrementó la productividad

del recolector 60 veces y redujo el costo de mano de obra hasta un 85% (8).

Las variables más importantes en el diseño y operación de estas máquinas son; frecuencia de

vibración, amplitud de oscilación y velocidad de avance del equipo.

Los mecanismos desarrollados en estas máquinas aplican la vibración a las cepas, a los alambres

del emparrado o directamente al arbusto y son clasificados como:

-Vibrador de caila o golpeador pivotante (<<cane o rod shaker» o «pivotal striker»): son

denominados VIbradores de caña debido a que son ampliamente empleados en arbustos perennes

(gerero rubus) pertenecientes a la familia de las Rosáceas conocidas como «berries o cane fruits».

Utilizan un conjunto de varillas posicionadas en cada lado del arbusto (surco), pivotadas en sus

extremos sobre uno o dos ejes verticales (Figura 1). Estas entran en contacto directo con el

follaje y transmiten oscilaciones horizontales, golpeando los frutos y produciendo gran

desprendimiento de hojas.

l2

Figura 1. Vibrador de caña. Esquema ilustrativo y fotografía. Fuente: Arnaud,I.995.

-Vibradores de tronco o pulsadores (<<trunk shakeo»: utilizan dos rieles (llamados también

paneles) paralelos, uno a cada lado del surco, para impartir una vibración horizontal a la parte

superior de la cepa y/o a los alambres del sistema de emparrado (Figura 2). No se presenta un

contacto directo (o este es poco) de los rieles con los racimos de frutos o con las hojas,

minimizándose el daño y la defoliación. Estos vibradores pueden operarse con una velocidad de

avance superior a la del vibrador de caña pero requiere que las parras estén muy bien alineadas

sobre el surco. Este mecanismo es más efectivo para el desprendímiento de frutos localizados

cerca al rígido tallo o al cordón del emparrado.

Figura 2. Vibradores de tronco. Esquema ilustrativo y fotografía.

Fuentes: Burkner, 1.998 y Morris, 1984.

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- Vibradores de tambor «<spike drum sbakeJ"»)): están constituidos por uno o dos cilindros

verticales o inclinados denonúnados también cilindros batidores que presentan varillas flexibles

de n}'Jon o fibra de vidrio en su periferia y oscilan transmitiendo vibraciones horizontales al follaje

del arbusto (Figura 3). Estos cilindros giran libremente alrededor de su eje para impedir el

arranque de pequeños frutos en el avance de la máquina.

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Figura 3. Vibradores de tambor. Esquema ilustrativo y fotografia.

Fuentes: CargiJI y Booster, 1.983 y Korvan inc., 1.998.

2.1.1. Antecedentes en diferentes cultivos.

BelI, citado por Cargill y Booster (11) reporta en 1.951 varias investigaciones sobre cosecha por

vibración de «fluit canes», entre eUas un vibrador de caña con ocho varillas a cada lado del

arbusto, accionado por un motor de 8 HP a una frecuencia de 800 ciclos/núnuto (cpm) y una

amplitud de 31 mm, el cual recolectó el 80% de las bayas de raspberry ..

En 1.959 el USDA inició un proyecto de investigación para desarrollar una máquina cosechadora

continua de arándanos, el primer prototipo fue arrastrado por un tractor, posteriormente fue

autopropulsado. La unidad de desprendinúento consistió de una cuña en forma de nariz movida

por el centro de los arbustos. Fue necesario adicionar guías externas para posicionar los tallos en

la cuña. Posteriormente fue modificado el mecanismo por dos ejes rotantes con dedos,

sincronizados con la velocidad de avance. Los dedos de acero de bajo peso vibraban con

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frecuencias entre 500 y 1.000 cpm y amplitudes de 6 a 25 mm. El mecanismo vibrador fue un

sistema de biela manivela. Fue balanceado el mecanismo y se utilizaron dedos de madera para

evitar su rotura. Con todas las modificaciones realizadas se logró desprender hasta el 90% de

, bayas maduras con un porcentaje bajo de bayas inmaduras y de follaje desprendido (22).

Según Thompson (39) las máquinas desarrolladas para cosechar arándanos representan un costo

equivalente al 44% de la cosecha manual pero las pérdidas de producto pueden llegar al 50% y el

daño ocasionado al arbusto puede ser 50 veces mayor que en la cosecha manuaL

En 1.962 investigadores del departamento de Ingeniería Agrícola de la Universidad de Comell

desarrollaron la primer máquina para cosechar uvas con el sistema de emparrado. El mecanismo

vibrador consistió de un cilindro horizontal cónico con agitadores radiales. La vibración vertical

se transmitió al alambre de las parras mediante una mordaza de sujeción. Se determinó mayor

efectividad con un movimiento elíptico que con un movimiento lineal. Con la combinación de 10

cm de amplitud y una frecuencia de 450 cpm se logró desprender 80010 de uvas individuales con

un 40% de daño en estas. La velocidad de avance fue de 1,07 kmIh (0,27 halh) (37).

En 1.965, Diener, Mohsenin y Jenks (14) reportan un estudio experimental y analítico del

sistema de emparrado de manzanos enanos sometidos a vibraciones forzadas bajo condiciones de

laboratorio y de campo. Según estos autores este sistema presenta ventajas hortícolas, se facilita

la cosecha mecanizada sobre las calles del cultivo, se minimiza el daño ocasionado a las manzanas

y al árbol, al no tener contacto directo el mecanismo vibrador con el tallo, ya que la vibración se

transmite mediante dos alambres del emparrado.

En 1.966 fue patentada la máquina "Harvey Harvester", cosechadora de arándanos, esta utilizó

dos ejes rotantes con ocho hileras de dedos radiales de 25 cm de longitud, vibrando en el plano

horizontal a una frecuencia de 720 cpm y con una amplitud de 25 cm (11).

En 1.969, utilizando conceptos practicados en la cosecha de uvas y adaptando nonnas de diseño

conocidas para la manipulación de flutas, ingenieros de la Universidad de California, concibieron

y construyeron una máquina para la cosecha de manzanas bajo el sistema de emparrado y alta