Una máquina de gestión de residuos para picar residuos de arroz en arrozales cosechados por cosechadora

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5077 (2023) Citar este artículo

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Hoy en día, las cosechadoras son el dispositivo más utilizado para cosechar cultivos; como resultado, una gran cantidad de material vegetal y residuos de cultivos se concentra en una estrecha banda de material vegetal que sale de la cosechadora, lo que dificulta la tarea de gestión de residuos. Este artículo tiene como objetivo desarrollar una máquina de gestión de residuos de cultivos que pueda triturar los residuos del arroz y mezclarlos con el suelo del arrozal cosechado combinado. Para ello se acoplan a la máquina desarrollada dos unidades importantes: las unidades de picado y de incorporación. El tractor acciona esta máquina como fuente principal, con una potencia de unos 55,95 kW. Los cuatro parámetros independientes seleccionados para el estudio fueron la velocidad de rotación (R1 = 900 y R2 = 1100 rpm), la velocidad de avance (F1 = 2,1 y F2 = 3,0 kmph), el ajuste horizontal (H1 = 550 y H2 = 650 mm) y el ajuste vertical. ajuste (V1 = 100 y V2 = 200 mm) entre el eje del picador de paja y el eje del rotavavador y se encontró su efecto en la eficiencia de incorporación, la eficiencia de trituración y la reducción del tamaño de la basura de los residuos de arroz picados. La incorporación de residuos y la eficiencia de trituración fueron mayores en las disposiciones V1H2F1R2 (95,31%) y V1H2F1R2 (61,92%). La reducción de desechos de residuos de arroz picado se registró como máximo en V1H2F2R2 (40,58%). Por lo tanto, este estudio concluye que la máquina de gestión de residuos desarrollada con algunas modificaciones en la transmisión de potencia puede sugerirse a los agricultores para superar el problema de los residuos de arroz en los arrozales cosechados combinados.

La cosecha de cultivos ha producido paja como subproducto durante siglos, lo que la convierte en un importante recurso agrícola1. A pesar de sus recursos naturales, la paja después de la cosecha tiene un valor inmenso como potenciador de la fertilidad y la estructura del suelo2. El segundo principio de la agricultura de conservación es la retención de residuos, lo que contribuye a la salud del suelo, reduce la erosión del suelo y mejora el contenido de humedad del suelo, mejorando el contenido orgánico del suelo, aumentando así el rendimiento de los cultivos y el uso de energía3. Varios factores influyen en la retención de residuos en el campo, incluidos los cultivos, el suelo, el clima, las pendientes y las prácticas de manejo de residuos.

Hubo un enorme aumento en los rendimientos de los principales cultivos desde 1949-50 hasta 2017-18. Fue alrededor del 379,8% en el arroz, el 1.460,4% en el trigo, el 1.337,6% en el maíz, el 209,9% en las legumbres, el 388,7% en las semillas oleaginosas y el 669,3% en la caña de azúcar4. La mayoría de los residuos de cultivos se queman en los campos en lugar de usarse para alimentar a los animales, hacer abono nutricional o plantar hongos, aunque pueden convertirse en bioenergía para el suministro y el desarrollo rural5,6. Existe una correspondencia directa entre la productividad de los cultivos y la disponibilidad de energía en la producción agrícola. En la India se producen aproximadamente 371 millones de toneladas de residuos de cultivos cada año, de los cuales los residuos de trigo representan entre el 27% y el 36%, y los residuos de arroz, entre el 51% y el 57%7,8. En la región noroeste (NO) de la India, concretamente en Punjab, Haryana y Uttar Pradesh, los residuos de los cultivos de arroz se queman in situ, lo que es otra práctica de gestión común. La quema de residuos contribuye hasta el 20% del presupuesto de emisiones de la quema de residuos agrícolas en el noroeste de la India9. Cada tonelada de paja (arroz y trigo) al quemarse libera 3 kg de una determinada materia, 60 kg de CO, 1460 kg de CO2, 199 kg de ceniza y 2 kg de SO210, provocando un importante calentamiento global y lluvia ácida. Y entre el 32% y el 67% del peso de la paja y entre el 27% y el 73% del nitrógeno se pierden debido a la quema1,11. Se prevé que la quema de arroz y paja de trigo en la India en 2000 emitirá 110, 2306, 2 y 84 gigagramos (Gg) de CH4, CO y NOx, respectivamente12. Por lo tanto, el país debe mejorar la mecanización agrícola para la producción de alimentos y la calidad de vida. En muchas prácticas agrícolas, los costos de producción son bastante altos debido a la intensidad de la mano de obra que se dedica a diferentes aspectos de las operaciones agrícolas. En cambio, la proporción de fuentes de energía mecánica y eléctrica aumentó del 7% a aproximadamente el 90% durante el mismo período. En la agricultura india, hay una preponderancia de pequeñas explotaciones operativas empleadas principalmente para operaciones agrícolas; esto significa que será necesaria la consolidación de propiedades de tierra para cosechar los beneficios de la mecanización agrícola13.

En cuanto al crecimiento económico mundial, se puede decir que la producción agrícola desempeña un papel importante en el impulso de ese crecimiento. Sin duda, la India es el segundo productor mundial de arroz y trigo. Según la literatura disponible, se producen alrededor de 6 toneladas de residuos por cada 4 toneladas de producción de trigo o arroz, lo que representa una enorme cantidad de paja disponible para su eliminación segura y adecuada cada año. En un campo cosechado combinado, el rendimiento total de residuos de arroz de la finca será de aproximadamente 12,5 toneladas por hectárea. En comparación, el rendimiento de rastrojos en pie y paja suelta será de aproximadamente 7 toneladas por hectárea y 5,5 toneladas por hectárea, respectivamente14. En la India, se produjo un promedio de 500 TM por año de residuos de cultivos a partir de diferentes especies de cultivos; el principal residuo obtenido del arroz y el trigo fue aproximadamente el 34% y el 22%, respectivamente. Del total de residuos de cultivos, 360 TM se utilizan para alimentación animal, acolchado del suelo, bioestiércol, techos de paja para casas rurales y combustible para uso doméstico e industrial. Después de este uso de recolección, hay un excedente de residuos de 140 TM, de los cuales 92 TM son quemados por los agricultores cada año debido a la falta de disponibilidad de máquinas apropiadas para el manejo de residuos de arroz y la agricultura mecanizada asociada con mano de obra agrícola poco calificada15,16 ,17,18.

La quema de residuos de cultivos libera una cantidad sustancial de humo y hollín al aire, lo que provoca una mayor contaminación. Este proceso conduce a la liberación de gases de efecto invernadero (GEI), como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, lo que contribuye al calentamiento global. Además, da como resultado la pérdida de importantes nutrientes vegetales como N, P y K, lo que afecta negativamente las propiedades del suelo y una pérdida de valioso carbono orgánico y residuos ricos en energía para el medio ambiente. La quema de paja de arroz en los campos libera contaminantes a la atmósfera, agravando aún más el impacto de los problemas del cambio climático19.

Además de quemar residuos de cultivos, existen muchas alternativas posibles a la quema de residuos de cultivos, incluida la descomposición del residuo con un adyuvante químico, triturarlo y luego incorporarlo al suelo. Triturar basura tiene varios beneficios: reduce el tamaño de las partículas y, por lo tanto, más microbios podrán degradar el residuo rápidamente, aumentando la cantidad de carbono y nitrógeno mineralizado del residuo. Además, la incorporación al suelo de residuos aumentaría la superficie de residuos en contacto con los microbios del suelo, acelerando el proceso de descomposición. Los sistemas de gestión de residuos de cultivos pueden beneficiarse de la incorporación de paja para mejorar la productividad y la sostenibilidad agrícolas. Esta se considera la práctica más eficaz para mejorar las propiedades y la fertilidad del suelo20,21.

Se ha recomendado que la incorporación de paja entre 15 y 20 días antes de la siembra del trigo en el noroeste de la India debería ser un sustituto de la quema de paja de arroz22,23. La incorporación de residuos de cosecha al suelo también aumentaría la cantidad de superficie de residuos que entraría en contacto con los microbios que viven en el suelo y, como resultado, aceleraría la descomposición del residuo. Por lo tanto, es importante enfatizar la importancia de gestionar adecuadamente los residuos de cultivos para mantener la fertilidad del suelo y sostener la alta productividad de los cultivos lograda en los últimos años24,25,26. Asimismo, la incorporación de residuos de cultivos mejoró la calidad del suelo en términos de carbono orgánico, conductividad hidráulica, tasa de infiltración, retención de agua, capacidad de intercambio catiónico, actividad enzimática y estabilidad de los agregados. En general, la trituración de residuos de cultivos ha provocado una tasa de degradación más rápida, como lo indica un aumento en la mineralización de carbono y nitrógeno, influyó en el tiempo máximo de respiración o no tuvo ningún efecto sobre la respiración. Se necesitan múltiples operaciones de labranza (2 a 3 veces con grada/cultivador mecánico, o rotavator y planchadora) para incorporar paja y preparar el lecho de siembra para la siembra de trigo, lo que aumenta el costo del cultivo y retrasa la siembra de trigo. La incorporación de paja en el campo requiere mucho tiempo y requiere de 6 a 7 operaciones. Por lo tanto, los agricultores optan por quemar paja de arroz para limpiar rápidamente el campo para sembrar la siguiente cosecha de trigo, ya que tiene un uso limitado27. La maquinaria para el manejo de residuos de cultivos combina un rotacultor y un picador de paja, una sembradora feliz, una sembradora de semillas cero, una empacadora de paja y un sistema de manejo de paja súper en una cosechadora combinada.

La sembradora rotativa se desarrolló para sembrar trigo después de la cosecha del arroz28. La máquina era un rotacultor combinado con una sembradora. Afirmaron que el rendimiento de la máquina era insatisfactorio en los arrozales cosechados combinados. Además, afirmaron que cuando se utilizaba después de cortar la paja con un picador de paja, el rendimiento de la máquina era aceptable28,29. Se desarrolló una feliz sembradora combinada; siembra el campo en una sola operación mientras corta, levanta y arroja la paja suelta y los rastrojos en pie. Requiere un tractor con 45 hp como fuente de energía y accionado por la toma de fuerza del tractor con una capacidad de campo de 0,3 a 0,04 ha/h mientras se opera con un tractor. El desempeño satisfactorio de la máquina se comprobó cuando la carga de paja fue inferior a 7 t/ha. La acumulación de barro y paja en los dientes de las sembradoras felices se observó en suelos arcillosos húmedos.

En una sola operación, la máquina recoge los rastrojos que quedan después del peinado, troceados y los esparce por el suelo27. Utilizando una sola operación de rotacultor o grada de discos, los rastrojos cortados y esparcidos se enterraban fácilmente en el suelo y se descomponían después del riego. La picadora-esparcidora de paja de arroz funciona satisfactoriamente tanto en condiciones de rastrojo suelto como en pie. Sin embargo, la paja y los rastrojos picados requirieron más tiempo de descomposición, retrasando la siembra del siguiente cultivo. Se observó obstrucción de paja suelta en la cosechadora de rastrojos y picadora. Los accesorios de la cosechadora actual son un triturador de paja y un esparcidor de residuos. Estaba fijado al capó trasero de la cosechadora, detrás de los tamices y justo delante de los sacudidores. El propósito principal de la máquina desarrollada era romper la paja y la paja del sacudidor de la cosechadora y tamizarla en pedazos más pequeños antes de esparcirlos nuevamente sobre el campo cosechado30.

Las picadoras de residuos vegetales se pueden utilizar en diversos campos, incluidos maíz, trigo, arroz, algodón y caña de azúcar. Están disponibles en fabricantes como 1JH (China), Tornado (Italia), Croplogix (EE. UU.) y RM (Francia). Las máquinas pueden ser utilizadas por cosechadoras de dos, cuatro ruedas y cosechadoras, siendo la versión más popular el tractor de cuatro ruedas. La sembradora Happy, el incorporador, la sembradora de semilla cero, la empacadora de paja, el picador de paja de arroz y el sistema de manejo de paja súper en una cosechadora son maquinaria agrícola disponible comercialmente para el manejo de residuos de cultivos. Sin embargo, la gestión de los residuos del arroz, que incluye el corte, el picado y la incorporación, no puede lograrse por sí sola con la maquinaria existente. Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar una máquina de gestión de residuos adecuada para gestionar completamente los residuos de arroz de los arrozales cosechados combinados en una sola pasada31.

Este trabajo tiene como objetivo desarrollar una máquina y evaluar su desempeño para el manejo de residuos de arroz. El objetivo principal del picador de paja e incorporador es reducir uniformemente el tamaño de los residuos e incorporarlos al suelo en una sola pasada para aumentar la fertilidad del suelo y la actividad biológica. Puede retener la humedad del suelo y aumentar la porosidad y aireación del suelo para mejorar la germinación y el crecimiento de la próxima cosecha de Rabi. La máquina de gestión de residuos propuesta puede cortar los rastrojos y mezclarlos con tierra. Por lo tanto, esos hechos se consideraron al desarrollar la presente máquina de gestión de residuos de arroz.

Se combinaron un picador de paja y un incorporador con un marco ajustable para desarrollar el picador de paja con incorporador. La consideración de diseño previa para el desarrollo del picador de paja e incorporador incluye el diseño de su ancho, que se mantuvo constante en 2100 mm, ya que es el tamaño habitual de los implementos utilizados por los agricultores, especialmente en la región noroeste de la India. La velocidad de rotación recomendada del incorporador se mantuvo entre 180 y 210 RPM para una pulverización adecuada del suelo durante la incorporación del residuo del arroz 32. Investigadores anteriores demostraron que el rendimiento del picador de paja tipo mayal era mejor en los rangos de velocidad de rotación entre 750 y 1900. rpm. El ajuste horizontal y vertical del picador de paja e incorporador depende de la longitud del rastrojo del arroz después de cosechar la cosecha. La longitud media del rastrojo de arroz era de unos 350 a 600 mm. El espacio horizontal entre el centro del eje del rotor del picador de paja y el eje del rotor incorporador fue de 550 mm y 650 mm. El espacio vertical entre el centro del eje del rotor del picador de paja y el eje del rotor incorporador fue de 100 mm y 200 mm33. La forma de las paletas incorporadoras para la incorporación de residuos de arroz fue generalmente utilizada tipo L. Por lo tanto, para este estudio se consideraron las cuchillas tipo L 32. Como en el pasado, las cuchillas tipo J se usaron en una picadora tipo mayal, pero esas cuchillas no funcionaron satisfactoriamente para triturar y picar residuos de arroz. Las cuchillas de tipo gamma invertida funcionan más satisfactoriamente que las cuchillas de tipo J y de tipo dentado con barra de corte 34. Por lo tanto, se utilizaron cuchillas de tipo gamma invertida en el picador de paja. Según estudios anteriores, se recomienda que la velocidad de rotación del incorporador para la incorporación adecuada del residuo del arroz sea de 180 a 210 rpm32.

El marco se desarrolló utilizando tubos cuadrados de MS (acero dulce) y planos de MS. Para ello se utilizaron tres tubos cuadrados de tamaño 75 × 75 mm y 800 mm de longitud. Para el marco se utilizó MS plano de tamaño 100 × 25 mm. El marco desarrollado es superior porque se puede usar cualquier lado para ajustar el espacio horizontal y vertical entre el eje incorporador y el eje del rotor del picador de paja. Debido a que los espacios libres horizontales y verticales pueden afectar el rendimiento, este ajuste se realizó para mejorar el rendimiento de la máquina 33. Los detalles del bastidor se ilustran en la Fig. 1.

Vista isométrica del marco utilizado en una máquina desarrollada.

El cálculo de los requisitos de torsión del picador de paja y del incorporador determinó por separado los requisitos de torsión del picador de paja y del incorporador. La suma de los requerimientos de torque del picador de paja y del incorporador fue el requerimiento de torque total de la máquina desarrollada. El requisito de energía se asumió según las recomendaciones de los fabricantes y estudios previos. El par se calcula utilizando la siguiente ecuación:

donde P es la potencia requerida del picador de paja, kW, T es el torque requerido del picador de paja, Nm, y N es la velocidad del eje del rotor del picador de paja, rpm.

La Tabla 1 proporciona el requisito de torsión para el picador de paja con el incorporador. El par requerido total para la máquina desarrollada es 1790,94 Nm, la suma del par requerido individual del picador de paja (435,24 Nm) y el incorporador (1355,70 Nm).

El sistema abierto de correa y polea se utilizó para la transmisión de potencia del picador de paja y del incorporador. En el sistema de transmisión de potencia de la máquina desarrollada se utilizó una correa V de categoría B. La longitud del cinturón se determinó mediante la siguiente ecuación:

donde, L es la longitud de la correa (mm), D es el diámetro de la polea conducida, mm, d es el diámetro de una polea conductora, mm, y X es la distancia central entre la polea conducida y la conductora, mm. La longitud calculada del cinturón de L1, L2 y L3 se proporciona en la Tabla 2.

La selección del número de correas o ranuras de polea se realizó mediante las siguientes suposiciones23,25,33,35 como material de la correa, la densidad de masa del caucho (ρ) es 1140 kg/m3, tensión permitida en la correa de caucho \(\left({ \varvec{\upsigma}}\right)\) es 21 MPa, el coeficiente de fricción entre la correa y la polea (μ) es 0,30 y el peso de la correa de caucho por metro (m) es 4,31 N.

El número de correas requeridas se calculó para el picador e incorporador de paja utilizando las siguientes ecuaciones:

donde, n es el número de correas, a es el área de la sección transversal calculada de la correa, mm2, y A es el área de la sección transversal estándar de la correa, mm2. El área de la sección transversal calculada (a) se obtiene mediante:

donde, θ es el ángulo de contacto, radianes, y v es la velocidad del cinturón, m/s. El área de la sección transversal estándar de la correa (A) = bt, donde b es el ancho de la correa en mm y t es el espesor de la correa en mm. Para el tipo de cinturón B, el ancho y el espesor son 17 y 11 mm, respectivamente35.

Potencia supuesta para el picador de paja Ps = 41 kW; α = Ángulo de contacto, grado, por lo tanto,

Por lo tanto, el número de cinturones necesarios = \(\frac{a}{A}\) ; El número de cinturones necesarios es 3.

Potencia supuesta para el picador de paja Pr = 30 kW

Por lo tanto, el número de cinturones necesarios = \(\frac{a}{A}\), el número de cinturones necesarios es 3.

El diámetro del picador de paja y del eje incorporador se determinaron utilizando la ecuación de torsión asumiendo un esfuerzo cortante permisible, \(\uptau =70\mathrm{ MPa}\).

donde, T es el momento de torsión o torque que actúa sobre el eje, Nm, \({\varvec{\tau}}\) es el esfuerzo cortante de torsión, MPa, y d es el diámetro del eje, mm. Los diámetros de los ejes 1, 2 y 3 se calcularon utilizando la ecuación. 7 en la Tabla 3.

El sistema de correas y poleas transmitía potencia de un eje a otro. La correa, la polea, los engranajes, el eje y los cojinetes eran los componentes de transmisión de potencia. Se usaron varios diámetros de 5 poleas multiranuras tipo B, de las cuales dos poleas se usaron en la máquina picadora de paja, es decir, la polea número 1 y la polea número 2, y las tres poleas restantes se usaron en la máquina incorporada, es decir, la polea. 3, 4 y 5. Se utilizó un juego de engranajes rectos (75 dientes) del mismo diámetro; el objetivo principal de estos dos engranajes era invertir la dirección de la polea de rotación 4. La potencia para la polea cuatro se transmitía desde la polea 3. Los componentes del sistema de transmisión de potencia se describen en las Figs. 2 y 3.

Vista isométrica de la transmisión de potencia de una máquina picadora e incorporadora.

La potencia del eje PTO (toma de fuerza) del tractor se transmitía a la caja de cambios del picador de paja mediante un eje telescópico; luego, la potencia se transmitía al eje del rotor del helicóptero utilizando una disposición de correa y polea. Un sistema de poleas abierto unía el eje de la picadora con la caja de cambios mediante una disposición de poleas adecuada en su extremo. La polea número 1 se colocó en la parte superior y la polea número 2 en el eje del rotor del picador de paja. El eje del rotor del picador de paja gira en el sentido de las agujas del reloj. La polea número 2 tiene seis ranuras conectadas a las poleas 1 y 3. La polea número 1 recibe energía de la polea número 2 y la polea 3 recibe energía de las tres ranuras restantes de la polea número 2. Estas tres poleas completas tienen una dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj. La potencia de la polea tres se montó en el eje número 1 al eje número 2, transferida mediante engranajes rectos. La polea número 4 se montó en el eje respectivo. El sentido de rotación de la polea número 4 se cambió al sentido antihorario. La potencia de la polea número 4 se transfirió a la polea número 5. La polea número 5 hace girar el incorporador del eje del rotor. Por tanto, el eje del rotor del incorporador gira en sentido antihorario.

Las velocidades de la polea conductora y conducida se denominan relación de velocidades. La relación de velocidad se calculó utilizando la siguiente ecuación:

Sean N, D = velocidad (rpm) y diámetro de una polea motriz (mm), respectivamente; n, d = velocidad (rpm) y diámetro de la polea conducida (mm), respectivamente; la velocidad en la polea 1 (N1) = 650 rpm, el diámetro de la polea 1 (D1) = 228,6 mm; la velocidad en la polea 2 (N2) = 900 rpm, el diámetro de la polea 2 (D2) = 165,1 mm;

Velocidad en la polea 3 (N3) = 450, diámetro de la polea 3 (D3) = 304,8 mm, velocidad en la polea 4 (N4) = 450, diámetro de la polea 4 (D4) = 101,6 mm, velocidad en la polea 5 (N5) = 200 rpm, diámetro de la polea 5 (D5) = 228,6 mm:

Relación de velocidad principal G = G1 X G2 = 1,51.

El espacio libre horizontal y vertical entre ambos ejes del picador de paja y el incorporador se calculó utilizando las siguientes ecuaciones. El espacio libre vertical viene dado por:

El juego horizontal viene dado por:

donde, V es el espacio libre vertical en mm, H es el espacio libre horizontal, h1 es la longitud de corte (= 80 a 100 mm), R1 es el radio de rodadura del eje del picador de paja con cuchillas tipo gamma invertida (= 170 mm ), R2 es el radio de rodadura del eje incorporador con palas tipo L (= 150 mm) y h2 es la profundidad de incorporación (= 100 mm). H2 = 1,1 H1.

donde, α es el ángulo incluido entre el suelo y la velocidad absoluta del residuo de arroz picado (= 45°). El espacio libre vertical y los espacios libres se calcularon en aproximadamente 220 mm y 640 mm, respectivamente.

La máquina desarrollada combina el bastidor ajustable, el incorporador y el picador de paja. El picador de paja tiene cuchillas tipo gamma invertida y los residuos de arroz procesados se incorporarán mediante un incorporador con cuchillas tipo L. La máquina desarrollada completa el corte, picado e incorporación de paja en una sola pasada. La salud del suelo mejoraría aumentando la tasa de descomposición de los residuos del arroz e incorporándolos al suelo. Las Figuras 4 y 5 representan la máquina desarrollada en vistas isométricas, superior, lateral, frontal y trasera y una vista isométrica desde la parte trasera. La especificación detallada de la máquina desarrollada se presenta en la Tabla 4.

Vista isométrica de la máquina de gestión de residuos desarrollada.

(a) Vistas superior (b) lateral, (c) frontal y (d) del engranaje de la máquina de gestión de residuos desarrollada.

La prueba de campo se realizó en el Centro de Investigación de Cultivos Norman Borlaug de la Universidad de Agricultura y Tecnología Govind Ballabh Pant de Pantnagar, Uttarakhand, India. Ubicado a 29°N de latitud, 79,29°E de longitud, y con una altitud de 243,80 m sobre el nivel medio del mar en el cinturón del Tarai de nuestro país, como se muestra en la Fig. 6. El tractor se utilizó para pruebas de campo de 56 kW. El contenido de humedad (%), la densidad aparente (kg/cm3) y la resistencia del suelo (kg/cm2) del campo de prueba son 13,63–14,30, 1,5–1,6 y 1,52, respectivamente. Los parámetros independientes y dependientes considerados para la evaluación del desempeño de la máquina de manejo de residuos desarrollada en la evaluación de campo fueron la velocidad de avance (kmph), el ajuste vertical entre el eje del rotor del picador de paja y el rotavator (cm), la velocidad de rotación del picador de paja (rpm), y ajuste horizontal del eje del rotor del picador de paja y del rotacultor (cm), capacidad de campo (ha h–1), reducción del tamaño del residuo del arroz (%), eficiencia del campo (%), eficiencia de trituración (%), eficiencia de incorporación (%) y consumo de combustible (l/h). Los parámetros independientes de varios niveles se muestran en la Tabla 5. Las pruebas se llevaron a cabo después de la cosecha del arrozal con una cosechadora combinada.

La máquina de gestión de residuos desarrollada durante la prueba de campo.

La selección del espacio libre vertical y horizontal son los parámetros clave que influyen en la estructura y el rendimiento operativo de la máquina desarrollada. Un espacio horizontal excesivo expandirá el bastidor de la máquina, sobrecargando el varillaje de montaje del tractor. Una distancia horizontal demasiado pequeña provocará interferencia mutua entre los dos rotores, aumentando la posibilidad de que la palanca se enrolle y se bloquee. El espacio libre horizontal debe ser óptimo para garantizar el rendimiento óptimo de la máquina. El espacio horizontal entre el centro del picador de paja y el rotor del rotavator se mantuvo en 550 mm, y en el estudio se mantuvo 650 mm. El espacio vertical entre el centro del rotor del picador de paja y el rotor del rotavavador se mantuvo en 100 mm y 200 mm33. La velocidad de rotación recomendada del rotavator se mantuvo entre 180 y 210 rpm para una pulverización adecuada del suelo durante la incorporación del residuo del arroz30; Investigadores anteriores demostraron que el rendimiento del picador de paja tipo mayal era mejor en los rangos de velocidad de rotación entre 750 y 1900 rpm27. La forma de las palas del rotavator para la incorporación de residuos de arroz se utiliza generalmente tipo L. Por lo tanto, para este estudio se consideraron palas tipo L32. Las hojas de tipo gamma invertida funcionan más satisfactoriamente que las hojas de tipo J y las de tipo dentado con barra de corte34. Por ello, hemos utilizado cuchillas tipo gamma invertida en el picador de paja.

El área total utilizada para evaluar la máquina desarrollada fue de alrededor de 2,5 ha. El área de la parcela experimental individual fue de aproximadamente 30 × 15 m2. El número total de experimentos fue 16 y se repitieron estos experimentos tres veces. Se utilizó el diseño de parcelas divididas (4 × 4 × 3) para la evaluación estadística del picador de paja con la máquina de incorporación para analizar el efecto de cuatro variables independientes, es decir, la velocidad de avance de la máquina desarrollada, la velocidad del rotor del picador de paja. , ajustes horizontales y verticales entre el picador de paja y el rotavator en función de variables dependientes como la eficiencia de incorporación, la reducción del tamaño de los residuos del arroz y la eficiencia de trituración. El análisis se realizó con un nivel de significancia del 5%. El diseño experimental se muestra en la Tabla 6.

Se utilizaron abreviaturas de arreglos en estudio:

F1R1: Velocidad de avance a nivel bajo, es decir, 2,1 kmph, y velocidad de rotación a nivel bajo, es decir, 900 rpm.

F1R2: Velocidad de avance a nivel bajo, es decir, 2,1 kmph, y velocidad de rotación a nivel alto, es decir, 1100 rpm.

F2R1: velocidad de avance a un nivel alto, es decir, 3,0 kmph, y velocidad de rotación a un nivel bajo, es decir, 900 rpm

F2R2: Velocidad de avance a un nivel alto, es decir, 3,0 kmph, y velocidad de rotación a un nivel alto, es decir, 1100 rpm.

H1V1: Ajuste horizontal a un nivel bajo, es decir, 550 mm, ajuste vertical a un nivel bajo, es decir, 100 mm.

H1V2: Ajuste horizontal a un nivel bajo, es decir, 550 mm, ajuste vertical a un nivel alto, es decir, 200 mm.

H2V1: Ajuste horizontal a un nivel alto, es decir, 650 mm, ajuste vertical a un nivel bajo, es decir, 100 mm.

H2V2: Ajuste horizontal a un nivel alto, es decir, 650 mm, ajuste vertical a un nivel alto, es decir, 200 mm.

Los parámetros del suelo y del cultivo se midieron antes de realizar la prueba de campo de la máquina desarrollada y se muestran en las Tablas 7 y 8.

Parámetros de la máquina.

El experimento de campo se llevó a cabo en un campo de arroz cosechado combinado para determinar el consumo de combustible de la máquina de gestión de residuos desarrollada, la capacidad de campo real, la capacidad de campo teórica y la eficiencia del campo. Los resultados de estos estudios se presentan en la Tabla 7. El tiempo consumido para el experimento individual fue de aproximadamente 7 a 8 minutos. El método de recarga se utilizó para medir el consumo de combustible durante el estudio. El menor consumo de combustible de 12,5 l/h se observó cuando la velocidad de rotación del picador de paja y del incorporador estaba en un nivel bajo, es decir, 900 rpm y 180 rpm, respectivamente (Tabla 7). Las capacidades de campo máximas reales y teóricas fueron de aproximadamente 0,35 y 0,64 ha/h, respectivamente (Tabla 7). La máxima eficiencia de campo se observó en 60,46% Tabla 9.

La velocidad del eje del rotor de un picador de paja varía con el cambio de marcha de la caja de cambios y con la posición del acelerador. El uso de un tacómetro midió esta velocidad de rotación. En este estudio se consideró un tacómetro de tipo sin contacto. Se pegaron etiquetas en los ejes del rotor del rotacultor y del picador de paja. El rayo láser del tacómetro se enfocó en la etiqueta y la lectura se mostró en la pantalla en rpm.

La eficiencia de trituración es el porcentaje de residuos de arroz con paja picados en el campo después de la operación en relación con los residuos de arroz con cáscara en la operación de campo.

donde, Ec = Eficiencia de trituración de la máquina, %; F = Cantidad de residuos de arroz picado en el campo después de la operación, q/ha; C = Cantidad de residuos de arroz en el campo antes de la operación, q/ha.

Es la relación entre la longitud promedio del residuo de arroz después de la operación y la longitud antes de la operación. Para medir la longitud de los rastrojos de arroz picados, se recogieron aproximadamente 100 g de muestras de paja picada en una bolsa de polietileno en cada parcela. Se guardaron etiquetas para cada muestra para su identificación. Para cuantificar los residuos de arroz picado, la muestra se diferenció por tamaño midiendo manualmente la longitud de la paja con la ayuda de una escala de medición. La reducción del tamaño del residuo del arroz se determinó utilizando la siguiente relación:

donde, Eb = reducción del tamaño de los residuos del arroz, %; F = Longitud del residuo de arroz después de la operación, mm; B = Longitud del residuo de arroz antes de la operación, mm.

La eficiencia de incorporación se midió mediante el peso de la paja de arroz incorporada por la máquina en el área de un metro cuadrado y el peso después de la operación de la máquina de manejo de residuos de arroz desarrollada antes de la operación en el mismo lugar de la parcela experimental. Un porcentaje lo indica.

El efecto combinado de las velocidades de rotación y avance y los ajustes verticales y horizontales se presenta en la Tabla 10. El análisis estadístico presentado en la Tabla 11 indicó que el efecto de las velocidades de avance y rotación, junto con los ajustes verticales y horizontales, fueron significativos en la eficiencia de incorporación. La máxima eficiencia de incorporación de residuos de arroz se obtuvo en el arreglo V1H2F1R2 (95,31%), seguido de V1H1FIR2 (94,30%). En cambio, la menor eficiencia de incorporación se registró en el arreglo V1H2F2R2 (59,42%) y V1H1F2R2 (59,43%), seguidos de V2H1F2R2 (64,63%) y V2H2F2R2 (64,98%). Se calculó el valor del coeficiente de diferencia, es decir, 7,58. La eficiencia de incorporación para todos los acuerdos en diferentes combinaciones varió del 59,42% al 95,30%. Los resultados mostraron que la eficiencia de incorporación fue mayor para la velocidad de rotación en el segundo nivel (1100 rpm) y la eficiencia de incorporación fue menor para la velocidad de avance en el segundo nivel (3,0 kmph). No se observa ninguna diferencia de valor estadístico en los distintos niveles de acuerdos horizontales sobre la eficiencia de la incorporación. Un resultado similar mostró que el porcentaje de residuos de entierro aumentó con el valor promedio de la velocidad de rotación. Esto se debe a una menor frecuencia de corte de mordida o de corte del suelo cuando la velocidad de rotación aumenta y la velocidad de avance disminuye36. Destain y Houmy37 informaron de un patrón similar al estudiar el efecto de la cultivadora rotativa sobre la estructura del suelo.

El efecto combinado de las velocidades de rotación y avance y los ajustes horizontales y verticales sobre la reducción del tamaño de los residuos se muestra en la Tabla 12. El análisis estadístico presentado en la Tabla 13 indicó que el efecto de la velocidad de rotación, avance y el ajuste vertical y horizontal de la máquina de manejo de residuos fue significativo en la reducción del tamaño de un residuo de arroz picado. La reducción máxima del tamaño del residuo de arroz se obtuvo para los arreglos V1H2F1R2 (61,92%), seguido de V1H1FIR2 (60,35%), V1H1F1R1 (54,76) y V1H2F1R1 (54,49%). La reducción mínima de tamaño se encontró para los arreglos V2H2F2R2 (22,99%) y V2H1F2R2 (24%), seguidos de V2H1F2R1 (24,13%). El análisis estadístico no reveló diferencias significativas en la reducción del tamaño de los residuos para el ajuste horizontal y vertical con una combinación de velocidad giratoria y de avance. La reducción del tamaño del residuo aumentó con un aumento en la velocidad de rotación, mientras que disminuyó con un aumento en la velocidad de avance. Los resultados mostraron que cuando la velocidad de avance era a un nivel más bajo (2,1 kmph), la reducción del tamaño de los residuos era mayor. La disminución en la velocidad de avance de la máquina desarrollada resulta en un menor número de cortes por unidad de tiempo del residuo de arroz, lo que resulta en una disminución en el porcentaje de reducción de altura del residuo de arroz picado38.

El análisis estadístico presentado en la Tabla 14 indicó que diferentes velocidades de avance y rotación y ajustes verticales y horizontales fueron significativos en la eficiencia de trituración. La eficiencia de trituración de la máquina de gestión de residuos varió entre 4,69% y 40,57% para todas las combinaciones de disposiciones, como se muestra en la Tabla 15. La eficiencia mínima de trituración de residuos de arroz se logró para las disposiciones V1H2F1R2 (4,69%), seguida de V1H1FIR2 (5,70%). %). La máxima eficiencia de trituración se observó para V1H2F2R2 (40,58%) y V1H1F2R2 (40,57%). Se observó que la eficiencia de trituración era mayor cuando la velocidad de avance era de 3,0 kmph. La eficiencia de trituración más baja se encontró a la velocidad de avance a un nivel más bajo (2,1 kmph). No se encontró que el efecto de varios niveles de disposiciones horizontales y los mismos niveles de avance y velocidad de rotación sobre la eficiencia de trituración fuera significativo.

En consecuencia, los resultados muestran una disminución en la longitud cortada de la paja a medida que aumenta la velocidad de avance de la máquina. Puede ser que la disminución en la longitud cortada de la paja sea el resultado del aumento de la velocidad de avance, lo que reducirá el deslizamiento y asegurará una compresión adecuada de la paja porque hay más paja para cortar, es decir, la velocidad de avance aumentará a medida que la velocidad de avance aumenta. Además, durante el experimento, se observó que la longitud cortada de la paja disminuía a medida que la velocidad del cilindro aumentaba de 1600 a 1800 revoluciones por minuto. Durante el funcionamiento a baja velocidad, las cuchillas del cilindro picador se mueven más rápido en relación con el material que durante el funcionamiento a alta velocidad, lo que da como resultado un corte máximo de paja, lo que da como resultado una longitud mínima de paja cortada, y esto es causado por varios cortes por unidad de tiempo y altas velocidades36,39.

Los resultados muestran que la eficiencia de incorporación es proporcional a la velocidad de rotación e inversamente proporcional a la velocidad de avance. A medida que aumenta la velocidad de rotación de las máquinas de gestión de residuos desarrolladas, aumenta el número de cortes por unidad de suelo y residuos de arroz, lo que lleva a una mayor incorporación de residuos de arroz y viceversa. Esta tendencia de resultados fue similar al estudio realizado por Satish40. Los resultados mostraron que cuando la velocidad de avance era a un nivel más bajo (2,1 kmph), la reducción del tamaño de los residuos era mayor. La disminución en la velocidad de avance de la máquina desarrollada resultó en menos cortes por unidad de tiempo de residuos de arroz, lo que resultó en una disminución en el porcentaje de reducción de altura de los residuos de arroz picados y se debió a menos tiempo disponible para cortar los residuos de arroz a una velocidad de avance más alta. velocidad38. La tendencia muestra que la eficiencia de trituración fue mayor cuando la velocidad de avance fue de 3,0 kmph. Por el contrario, la eficiencia de trituración más baja se encontró a la velocidad de avance a un nivel más bajo (2,1 kmph). La velocidad de avance de la máquina de gestión de residuos desarrollada aumentó el número de cortes por unidad de tiempo por unidad de longitud, lo que disminuyó el porcentaje de peso de los residuos de arroz picados, lo que condujo a una menor eficiencia de trituración38. En lugar de desarrollar una máquina para residuos de cultivos, Sidhu et al. (2015)34 desarrollan y evalúan Turbo Happy Seeder para sembrar trigo en residuos pesados de arroz en el noroeste de la India. Varias pruebas en granjas han demostrado que las Turbo Happy Seeders de 9 hileras son iguales o superiores a la labranza convencional y la quema de paja para la siembra de trigo dentro de residuos de arroz. Zhang et al. (2017)1 resumieron la investigación global sobre el diseño de las palas, la disposición de las palas y el consumo de energía en función de dos factores clave principales de la calidad del picado de residuos y la uniformidad de distribución. Dai et al. (2010)41 desarrollaron un picador de paja con un rociador de inoculante de rápida descomposición para acelerar la descomposición del mantillo de paja en el suelo. Un picador de paja y un pulverizador de inoculante en descomposición se combinan para formar la máquina. Antes de que el picador de paja corte la paja del cultivo, el pulverizador de inoculante en descomposición rocía el inoculante en descomposición (inoculante microbiano) en el aire. Funciona con un motor de 22,4 kW y corta la paja en trozos de 5 a 9 cm.

Si bien la máquina tiene muchas ventajas sobre otras máquinas, todavía resulta difícil para muchos agricultores adoptar esta sembradora debido a importantes desafíos. Una de las principales barreras para adoptar la máquina es su alto costo de capital, la aversión al riesgo por parte de los agricultores (particularmente aquellos de granjas marginales o pequeñas) y los fuertes subsidios a la electricidad y el diésel para la agricultura. Durante la fase de sensibilización, los subsidios para la maquinaria han desempeñado un papel fundamental para hacer que la tecnología sea más atractiva. En muchas zonas, los agricultores todavía prefieren campos limpios con bajos niveles de residuos. Para los agricultores, quemar los residuos del arroz es una forma fácil y económica de limpiar sus campos. Es necesario realizar varias demostraciones de campo con la máquina de manejo de residuos de cultivos en varios tipos de suelo bajo diferentes climas y estaciones para superar estos problemas.

A pesar de la extensa investigación sobre la estructura del picador de paja, el manejo de residuos y los parámetros operativos, las propiedades físicas y mecánicas de la paja del cultivo y el rendimiento de la máquina que se han llevado a cabo para mejorar la calidad del picado de la paja del cultivo, se han hecho muy pocos intentos de relacionar estos parámetros con el corte y la distribución. . De este estudio se pueden extraer las siguientes conclusiones principales:

Las pruebas reales de la máquina de gestión de residuos desarrollada resultaron satisfactorias.

La capacidad de campo teórica, la capacidad efectiva y la eficiencia de campo de la máquina de gestión de residuos desarrollada fueron de 0,43 a 0,64 ha/h, de 0,26 a 0,35 ha/h y de 55 a 60,46 %, respectivamente.

El consumo de combustible de la máquina desarrollada se registró entre 12,5 y 14 lph.

La eficiencia de incorporación de residuos de arroz mediante picadora de paja e incorporador oscila entre 59,42% y 95,31%.

La reducción del tamaño de la basura de la reedición del arroz mediante el picador de paja y el incorporador se encuentra en el rango de 22,99 a 24,13%.

La máxima eficiencia de trituración se registró en aproximadamente el 40,58%.

A pesar de la novedad y el aporte práctico del desarrollo presentado en este estudio, la principal limitación es que requiere un tractor de alto rango de potencia (>60 hp), lo cual se basó en las sugerencias de los agricultores indios de que se podría modificar el sistema de transmisión de potencia. En la máquina de gestión de residuos desarrollada se utiliza una transmisión por correa y polea. Se observó que se genera más calor entre la correa y la polea cada vez que aumenta la carga en el incorporador. Por tanto, este sistema de transmisión de potencia no funciona por más tiempo. La transmisión de potencia utilizada en el picador de paja e incorporador no puede funcionar durante un período prolongado.

No obstante, se puede reducir el peso de la máquina realizando un único bastidor tanto para la unidad de corte como para la unidad de incorporación; por lo tanto, se puede reducir aún más el requisito de energía de la máquina de gestión de residuos.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores extienden su agradecimiento al Decanato de Investigación Científica de la Universidad King Saud por la financiación a través del Vicedecanato de Cátedras de Investigación Científica; Presidente de investigación del Premio Internacional del Agua Príncipe Sultán Bin Abdulaziz.

Esta investigación fue financiada por el Decanato de Investigación Científica de la Universidad King Saud a través del Vicedecanato de Cátedras de Investigación Científica; Presidente de investigación del Premio Internacional del Agua Príncipe Sultán Bin Abdulaziz.

Departamento de Maquinaria Agrícola e Ingeniería Energética, Universidad GB Pant de Agricultura y Tecnología, Pantnagar, Uttarakhand, 263145, India

Chelpuri Ramulu, Raj Narayan Pateriya y Mude Arjun Naik

Dr. Universidad Agrícola Central Rajendra Prasad Pusa, Samastipur, Bihar, 848125, India

Chelpuri Ramulu

Departamento de Ingeniería de Riego y Drenaje, Universidad GB Pant de Agricultura y Tecnología, Pantnagar, Uttarakhand, 263145, India

Dinesh Kumar Vishwakarma

CERIS, Instituto Superior T´Ecnico, Universidad de Lisboa, 1649–004, Lisboa, Portugal

Alban Kuriqi

Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Negocios y Tecnología, Pristina, Kosovo

Alban Kuriqi

Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y de Recursos Naturales, Universidad Tecnológica de Lulea, 97187, Lulea, Suecia

Nadhir Al-Ansari

Premio Internacional Príncipe Sultán Bin Abdulaziz de la Cátedra del Agua, Instituto Príncipe Sultán para la Investigación Ambiental, del Agua y del Desierto, Universidad Rey Saud, Riad, 11451, Arabia Saudita

Abed Alataway, Ahmed Z. Dewidar y Mohamed A. Mattar

Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Ciencias Agrícolas y Alimentarias, Universidad Rey Saud, Riad, 11451, Arabia Saudita

Ahmed Z. Dewidar y Mohamed A. Mattar

Instituto de Investigación en Ingeniería Agrícola (AEnRI), Centro de Investigación Agrícola, Giza, 12618, Egipto

Mohamed A Mattar

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Conceptualización, CR, RNP y NA-A.; Metodología, CR, RNP y NA-A.; software, CR; Validación, CR, RNP y NA-A.; Análisis Formal, CR y DKV; Investigación, CR y RNP; Recursos, HOMBRE; Curación de datos, MAN; Redacción – Elaboración de Anteproyecto Original, CR, MAN y DKV; Redacción – Revisión y Edición, DKV, AK, NA-A. y MAM; Visualización, CR y MAN; Supervisión, RNP, NA-A. y DKV; Administración de Proyectos, RNP; Adquisición de fondos, NA-A., AA, AZD, MAM Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Dinesh Kumar Vishwakarma, Nadhir Al-Ansari o Mohamed A. Mattar.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ramulu, C., Pateriya, RN, Naik, MA et al. Una máquina de gestión de residuos para picar residuos de arroz en arrozales cosechados por cosechadora. Representante científico 13, 5077 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32148-9

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Recibido: 29 de noviembre de 2022

Aceptado: 23 de marzo de 2023

Publicado: 28 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32148-9

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