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Integración de "triz and qfd" para un diseño innovador en
cad de un prototipo de arado reversible por gravedad de
bajo costo
Integration of "triz and qfd" for an innovative cad design of a low-cost
reversible gravity plow prototype
*
*
*
ABSTRACT
objective of this research was to design and optimize a prototype in
CAD systems of a low-cost reversible gravity plow with three plowing
emphasizes the conceptual innovation and dimensioning of a novel
plow discs only with the action of gravity and the inertial masses that
indicate that the prototype is functional and reduces production and
maintenance costs due to the simplicity of its components.
Keywords: Design; Optimization; reversible plow; agricultural
machines; design methodology.
RESUMEN
estos tienen su accionar en sistemas hidráulicos elevando el costo de la
de bajo costo con tres discos de aradura que pueda ser usado por
innovación conceptual y dimensionamiento de un novedoso sistema
aradura solo con la acción de la gravedad y las inerciales de masa
instantes de trabajo en que el arado soporta el mayor estrés: al inicio
del trabajo de aradura y el levantamiento del arado por el enganche
indican que el prototipo es funcional y disminuyen los costos de
Palabras clave:
arubiov@lamolina.edu.pe.
https://orcid.org/0000-0002-4430-8694
jabel@lamolina.edu.pe.
https://orcid.org/0000-0002-9070-3898
https://www.scopus.com/authid/detail. uri?authorId=56896087200
bbarrig@pucp.edu.pe.
https://orcid.org/0000-0002-7781-6177
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57192093893
carlo.salas@pucp.edu.pe.
https://orcid.org/0000-0003-3510-2261
https://orcid.org/0000-0003-2896-0778
63Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Introducción
El crecimiento de la agricultura peruana en los
últimos diez años ha sido sorprendente debido a las
agroexportaciones peruanas que, se multiplicaron por 12
en los últimos 20 años. Pasando de 634 millones en el 2001
a 7 mil 500 millones de dólares en el 2020 (IPE, 2021), pero
no ha sido homogéneo porque la productividad en la costa
creció en 7,2 %, en la sierra 0.2 % y en la selva retrocedió
a -0.2% (BM, 2018). Los niveles de ingreso en los hogares
de agricultores se estancaron y las tasas de pobreza son
muy altas. Los pequeños agricultores, con menos de 5
hectáreas, ocupan el 16.5 % de la extensión agrícola, pero
son el 79.5 % de los productores agropecuarios (INEI,
2014), los mismos que, debido a las tazas de pobreza y
poca extensión agrícola, desarrollan una agricultura de
baja tecnología. Siendo necesario plantear una estrategia
gradual para brindar apoyo, escalonado y efectivo, a
niveles de productividad y competitividad (BM, 2018).
La incorporación de estos factores contextuales en
las decisiones de diseño es importante para obtener
(Burleson et al., 2022).
El objetivo del estudio fue diseñar un arado de
tecnología intermedia, de fácil uso, mantenimiento y
reemplazo de sus elementos de desgaste, asegurando
costos bajos y larga vida útil. Incidiendo en una estrategia
gradual (BM, 2018), se llegó a diseñar una maquinaria
agrícola que tenga relación directa con las labores
primarias de cultivo, siendo estas labores la que más
energía consume (Val et al., 1985). Mirabito et al. (2022)
señalan se debe considerar lo complejo del proceso y
tomar en cuenta los factores que afectan altamente los
de minimizar los errores a través de una metodología
sistemática, Engineering design – a systematic approach (Pahl
et al., 2007) y para precisar los parámetros de diseño
se usó el enfoque de "TRIZ and QFD" (Mayda y Borklu,
2013). Finalmente, se desarrolló el prototipo en base a
tecnología de realidad extendida a través de la aplicación
de Sistemas CAD.
Método
Materiales
Como base para el análisis de los mecanismos
investigados se usó dos arados en desuso encontrados en
el Fundo de la Universidad Nacional Agraria La Molina
(UNALM), uno de ellos es de tres discos, reversible por
al accionar de una palanca por parte del tractorista; el
segundo es un arado de 4 discos y es reversible por el
accionar del sistema hidráulico del tractor. Para las
pruebas de campo en aradura se usaron dos tractores: un
tractor John Deere 1040 con código de fabricación 104SA
y serie 554965 de 50 HP de potencia neta a la barra de
tiro (Tractorista.es, 2020) y un tractor New Holland con
código de fabricación TD5.80d con 80 hp de potencia a
la barra de tiro (LECTURA specs, 2022). Se usaron dos
arados de discos, el primero fue marca OMB, Modelo
de fabricación AR4 OMB de reversión por el sistema
hidráulico del tractor y un arado FIANSA (Fabrica de
Implementos Agrícolas Nacionales S. A., 1980), de tres
discos con sistema de reversión por accionamiento
de palanca. Para las pruebas de resistencia del suelo
se usó además del sistema tractor - arado descrito, un
dinamómetro o indicador de carga digital "Dinafor
LLX2 0.5"(Tractel, 2022) colocado en uno de los
enganches de tres puntos entre el tractor y el arado para
determinar la fuerza de tiro necesaria al realizar el corte
y levantamiento del suelo. Los sistemas CAD se usó para
el desarrollo del prototipo, El hardware consistió en
dos computadoras preparadas para trabajos de diseño
Solid Works 2018 x64 edition SP5 (Dassault Systemes,
2021). Adicionalmente, para el desarrollo del documento
se utilizó los programas de Word, Exel y Visio; mientras
Método
La metodología de diseño empleada es la propuesta por
Pahl and Beitz en el libro "Ingeniería de diseño - Una
aproximación sistemática", con la incorporación de
innovación conceptual "TRIZ and QFD" de Mayda and
Borklu. El proceso consta de siete pasos (Pahl et al., 2007):
lista de requerimientos, los cuales son representados por
en subfunciones. En consecuencia, se establece una
del sistema (Mayda y Borklu, 2013). 3, Buscar principios
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de funcionamiento, llamados también principios de
trabajo, que cumplan las funciones establecidas. 4,
Combinar Los principios de funcionamiento dentro
de las estructuras de trabajo para ilustrar la estructura
básica del sistema (Mayda y Borklu, 2013). 5, Seleccionar
las combinaciones adecuadas utilizando una tabla de
las variantes de solución. 7, Evaluar Las variantes de
solución en tablas de evaluación conteniendo criterios
técnicos y económicos. Como resultado se obtiene
una solución de principio o un concepto. El método o
procedimiento realizado se resume en la Figura 1.
Metodología empleada (Pahl et al., 2007); a. Diagrama teórico, b. Diagrama aplicado al diseño del arado.
Para el dimensionamiento de los elementos de
máquinas, se usó el método de Mohr al análisis
tridimensional de esfuerzos, ajustando los cálculos
con las teorías de falla para materiales Dúctiles,
considerando que los elementos estructurales del arado
son hechos de acero ASTM A36.
a b
DESARROLLO DEL DISEÑO
Lista de requerimientos
El arado diseñado cumple con las siguientes
exigencias: del suelo, realiza corte, levante y volteo del
suelo y es reversible para evitar producir desniveles en el
terreno, además de ser capaz de trabajar en un suelo con
un máximo de pedregosidad del 10 %, humedad relativa
de 20 % y una pendiente máxima de 15 %, generando
líneas de aradura rectas, estables, sin ondulaciones ni
crestas. Respecto de las propiedades de la máquina, el
peso del implemento deberá ser menor a 600 kg de modo
que la potencia requerida del tractor a la barra de tiro sea
de 50 a 75 Hp, asegurando que el sistema tractor-arado
esté al alcance de los pequeños agricultores. Finalmente,
65Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Fuente: Mayda y Borklu (2013)
Importancia absoluta
Importancia relativa
Donde WTp(j) es la importancia absoluta de un
de la necesidad de un cliente, n es el número total de
necesidades del cliente y Fij es el grado de correlación
entre una necesidad del cliente y un parámetro de
diseño, A=9, B=5, C=3 o D=1 (Mayda y Borklu, 2013). Los
resultados indican que el parámetro más importante
es el de "Diseño simple", seguido por "Peso del arado"
indican las contradicciones en la parte superior en la
Tabla 1.
Aplicación de HOQ para el arado reversible por gravedad.
Importancia
relativa
F = A, B, C, D
A = 9; B = 5; C = 3; D = 1
PARÁMETROS
DE DISEÑO
Capacidad
Peso
Diseño simple
Ergonomia
Fuerza Humana
Seguridad
Dimenciones
Necesidad
No Wch Necesidades del ckiente
(Lista de requerimientos)
N 1 1 Realiza corte, levante y volteo de la tierra C B C
N 2 1 Reversible (Reversion independiente del tractor) A B B
N 3 0.9 Ligero (Menos de 600 Kg de peso bruto) A C C
N 4 0.9 Facil manejo y manipulacion (Solo un trctorista) D A B C
N 5 0.6 "Lineas de aradura rectas estables
(Sin omdulaciones horizontales ni crestas verticales)" B A B
N 6 1 Potencia del tractor (55 a 65 HP de potencia) B A B B
N 7 0.8 Baja tecnologia (En reparacion y mantenimiento) D A B A B B
N 8 0.7 Bajo costo B A C
Importancia absoluta WTp ( J )
8
29.4
31.1
12.1
7.2
9
18.9
18.5
Importancia relativa (%) Rj
5.96
21.91
23.17
9.02
5.37
6.71
14.08
13.79
Valores Normalizados (0… 1)
0.060
0.219
0.232
0.090
0.054
0.067
0.141
0.138
es necesario que el acoplamiento del arado al tractor sea
hecho por una sola persona, el tractorista.
Posteriormente, se estableció los grados de
importancia de los requerimientos, incorporando
los factores contextuales en las decisiones de diseño
(Burleson et al., 2022), precisándolos mediante la
incorporación sistemática de TRIZ y QFD (Mayda y
Borklu, 2013), en el enfoque de diseño conceptual de
Pahl y Beitz (Pahl et al., 2007).
En la Tabla 1 se calcula la importancia absoluta y
relativa de los parámetros de diseño utilizando las
siguientes fórmulas:
66 Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Búsqueda de funciones, subfunciones y principios de
funcionamiento o principios de trabajo
El análisis de funcionalidad del implemento se realizó
en las instalaciones de la Universidad Nacional Agraria
La Molina, en áreas destinadas a experimentación
agrícola para distintos cultivos y tipos de suelos. Con
Figura 2
Función total, mostrando los Inputs y los outputs en el implemento.
Figura 3
Subfunciones disgregadas de la función principal del implemento.
base a estas observaciones y análisis de los modelos
usados en las pruebas, se obtuvo el siguiente esquema
global de funciones (Figura 2).
Se realizó actividades de trabajo del modelo de arado
enfocados en la transformación de la energía entrante
al sistema, el cual transforma el suelo compactado
en tierra levantada y volteada en una sola dirección
y en línea recta. El modelo funcional óptimo para el
diseño requerido comprende la siguiente estructura de
funciones disgregada (Figura 3).
67Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Figura 4
Matriz Morfológica para la búsqueda de los principios de trabajo.
Se encontró cuatro funciones principales; la función
de soporte principal, la función de reversión primaria, la
función de reversión secundaria y la reversión del disco
guía (Figura 4). Cada función se disgrega en funciones
básicas, para las cuales se propusieron cuatro principios
de trabajo. Para la función de soporte principal rígido
se encontró cuatro tipos de bastidores que cumplen con
los requerimientos, la función de reversión primaria se
disgregó en cinco funciones básicas, planteando cuatro
la función de reversión del disco guía se disgregó en
tres funciones elementales (Ciavola et al., 2015), para
los cuales, de la misma forma, se establecen cuatro
principios de trabajo, posteriormente se realizó cuatro
posibles combinaciones por cada función elemental,
con colores; Solución 1 (línea azul), Solución 2 (Línea
naranja), Solución 3 (Línea verde), y Solución 4 (línea
marrón) respectivamente. (Proceso representado en la
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Figura 5
Variantes en los conceptos solución.
Evaluación
Se determinaron nueve parámetros para la
evaluación técnica y ocho parámetros para la evaluación
económica, se asignaron los valores de ponderación que
asocian los valores con la importancia que le dan los
clientes, se calculó el Puntaje máximo y Valor teórico
de las variantes de solución, a través de las siguientes
fórmulas (Normas VDI 2225 - Parte 3) (SCRIBD, 2020)
y se estableció el orden de prioridad de cada propuesta
de solución.
Puntaje máximo
Valor teórico
Evaluación técnica
En la Evaluación Técnica, se utilizó los criterios de
las normas VDI 2225 (SCRIBD, 2020) para la asignación
de valores y la ponderación en los criterios de evaluación
seleccionados, dando prioridad a los parámetros
obtenidos de la evaluación de las necesidades. La variante
S2 tiene el valor más alto para los parámetros de diseño
establecidos en grados de importancia representados
por sus ponderaciones (Tabla 2a). El requisito del peso
se cumplió básicamente al utilizar solo tres discos de
aradura, la simplicidad en sus componentes y un sistema
de reversión que se basa en la fuerza de gravedad y el
movimiento, sin necesitar sistemas adicionales como
hidráulicos o neumáticos.
Evaluación económica
Para la Evaluación Económica, se emplearon las
normas VDI 2225 (SCRIBD, 2020) para la asignación de
valores y la ponderación en los criterios de evaluación,
dando prioridad a los parámetros como la facilidad para
la adquisición de materiales, la manufactura de estos
materiales en talleres artesanales, el mantenimiento y
tractorista (Tabla 2b).
69Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Tabla 2
Evaluación del proyecto: a. Evaluación técnica, b. Evaluación económica
DISEÑO MECÁNICO - EVALUACIÓN DE PROYECTOS
P: Puntaje de 0 - 4 : Escala de valores según VDI 2225
0: No satisface 1: Limite de aceptacion 2: Aceptable 3: Aceptable 4: Muy bueno (Ideal)
CRITERIOS DE EVALUACIÓN PARA DISEÑOS EN FACE DE CONCEPTOS O PROYECTOS
EVALUACION TÉCNICA
VARIANTES DE CONCEPTOS SOLUCIÓN "Solucion 1
S1" "Solucion 2
S2" "Solucion 3
S3" "Solucion 4
S1" "SOLUCION
IDEAL"
CRITERIOS DE EVALUACION P P P P P
1 Buen uso de la fuerza o energia 3 2 6 3 9 1 3 3 9 4 12
2 Estabilidad 2 2 4 2 4 2 4 1 2 4 8
3 Rigidez 2 2 4 2 4 2 4 1 2 4 8
4"Manipulacion
(Enganche y desenganche)" 2 3 6 3 6 1 2 3 6 4 8
5 Compatibilidad 2 2 4 3 6 3 6 2 4 4 8
6 Facilidad de manejo 2 1 2 3 6 2 4 3 6 4 8
7 2 2 4 2 4 1 2 3 6 4 8
8 Mantenimiento 3 2 6 2 6 1 3 2 6 4 12
9 Seguridad 1 2 2 2 2 3 3 2 2 4 4
38 47 31 43 76
Valor tecnico Xi 0.5 0.62 0.41 0.57 1
ORDEN 3 1 4 2
Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
DISEÑO MECANICO - EVALUACION DE PROYECTOS
P: Puntaje de 0 - 4 : Escala de valores según VDI 2225
0: No satisface 1: Limite de aceptacion 2: Aceptable 3: Aceptable 4: Muy bueno (Ideal)
CRITERIOS DE EVALUACJON PARA DISEÑOS EN FACE DE CONCEPTOS O PROYECTOS
EVALUACION ECONOMICA
VARIANTES DE CONCEPTOS SOLUCION "Solucion 1
S1" "Solucion 2
S2" "Solucion 3
S3" "Solucion 4
S1" "SOLUCION
IDEAL"
CRITERIOS DE EVALUACION P P P P P
1 Numero de piezas 2 2 4 1 2 1 2 3 6 4 8
2"Facil adquisicion
(Materiales de fabricacion)" 3 2 6 2 6 1 3 2 6 4 12
3 Productividad 3 1 3 3 9 3 9 2 6 4 12
4 Numero de operarios 3 3 9 3 9 3 9 3 9 4 12
5 Costo de la tecnologia 2 2 4 2 4 1 2 2 4 4 8
6 Facilidad de montaje 3 2 6 3 9 2 6 2 6 4 12
7 mantenimiento 3 2 6 2 6 1 3 2 6 4 12
8"Posibilidad de manufactura
(talleres propios)" 3 3 9 3 9 1 3 3 9 4 12
47 54 37 52 88
Valor tecnico Xi 0.53 0.61 0.42 0.59 1
ORDEN 3 1 4 2
La tabla 2b presenta la evaluación económica que
permitió establecer a la variante de solución S2 como
la mejor propuesta de solución desde el punto de vista
económico, debido principalmente a la simplicidad del
diseño y la elección de materiales estandarizados de
fácil acceso en el mercado peruano.
Evaluación Técnica – Económica
La evaluación Técnico - Económica, contrasta el
"Valor teórico Xi" de la evaluación técnica con el "Valor
teórico Xi" de la evaluación económica generando un
par ordenado (Xi (TÉCNICO), XI (ECONÓMICO))
una solución idealizada de par ordenado (1,1), para el
proyecto desarrollado, la variante de solución que se
aproxima más a la solución idealizada es la propuesta
del modelo de solución 2 (Sol. S2) (Figura 6), la cual se
utilizó para el desarrollo del proyecto.
Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Figura 6
Gráco de evaluación Técnica - Económica del proyecto.
Dimensionamiento de los elementos de
máquinas
Para el dimensionamiento de los elementos del
implemento se analizó el proceso de trabajo del arado
y se encontró dos instantes de tiempo en el que se
1, Durante el levante del implemento por el tractor, al
y de las inercias por la acción del levante); y, 2, Durante
el trabajo de aradura (Fuerzas de resistencias del suelo).
Durante el levante del implemento, el arado
experimenta fuerzas de gravedad producidas por el
peso y fuerzas inerciales producidas por el movimiento
de levantamiento en el plano vertical, los cuales deben
ser soportados por el bastidor principal, con base en los
datos disponibles, esta estructura se diseñó utilizando
los métodos de falla para materiales dúctiles, analizados
producida en las uniones más críticas (Figura 7a).
Figura 7
a. Bastidor rígido y zonas críticas de soldadura, b. Elementos móviles accionados por la reversión
84 Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
El levantamiento del arado produce la reversión,
de los discos de aradura, y del disco guía, por lo que
se consideró este instante de accionamiento para el
diseño de los elementos que conforman estos sistemas
movibles (Figura 7b). Este diseño se realizó utilizando
falla para el bastidor secundario, el concepto de pandeo
para elementos esbeltos (Rodríguez, 2001) y cinemática
del cuerpo rígido para el análisis de los elementos
en movimiento. Al inicio del trabajo de aradura, el
suelo ejerce fuerzas de resistencia al corte y levante
del mismo, en la dirección del ángulo de ataque de los
discos respecto del suelo. Se encontró los componentes
de estas fuerzas en la dirección de avance del tractor y
transversal al mismo, las cuales sirvieron para el diseño
de los elementos de máquinas comprometidos con estas
fuerzas (Rubio, 2019). Se realizaron pruebas en el campo
de la UNALM para distintos suelos a una profundidad
de corte promedio de 25 cm y un ancho de corte de 90 cm
valores promedio de resistencia del suelo a la acción del
arado (Tabla 3) (Rubio, 2019).
Tabla 3
Valores promedio de resistencia por tipo de suelo.
TIPO DE SUELO DE CULTIVO RESISTENCIA DEL SUELO AL
ESFUERZO CORTANTE (Kg/dm²)
Arenoso 89% 14 - 18
Arenoso 78% - Arcilloso 19% 20 - 24
Arenoso 61% - Arcilloso 35% 30 - 45
Arenoso 38% - Arcilloso 53% 50 - 65
Arcilloso 76% 72 - 88
Arcilloso pesado 88% 144 - 176
*Los valores se obtuvieron de pruebas hechas en los suelos de la Universidad Nacional Agraria la
Molina y sus institutos regionales de costa y sierra.
*Los valores son referenciales calculados directamente de las fuerzas de tiro obtenidos en
un dinamometros,(Tractel, 2022), instalado entre el tractor y el arado, con un porcentaje de
humedad relativa del suelo de 11.35%.
De los datos obtenidos en el análisis de funciones
y los dos instantes críticos de trabajo, se calcularon
las fuerzas críticas, las mismas que dan origen a los
esfuerzos críticos principales a través de la teoría de
de falla respectivos (Beer et al., 2009; Rubio, 2019).
Para cada elemento de análisis, se aplicó las ecuaciones
fundamentales de la resistencia de materiales y se
encontró el dimensionamiento mínimo de espesor de
los elementos de máquinas diseñados (Rodríguez, 2001;
Rubio, 2019). Este esquema de análisis y la derivación
de los elementos según las fuerzas de origen se ve en la
85Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Figura 8
Relación entre los instantes de trabajo, las fuerzas generadas y los elementos diseñados.
Durante el levantamiento del arado se generan
fuerzas, las mismas que son usadas para el diseño de
los bastidores primario y secundario, se selecciona el
la soldadura, esta acción de levantamiento produce la
reversión de los discos, lo cual es usado para el diseño
de los pines de enganche, la barra de reversión, los
mecanismos de giro en el eje principal conformados
básicamente del bulón deslizante, el resorte de retorno
y el pin del resorte de retorno; adicionalmente se diseña
el brazo de reversión de la rueda guía y el sistema de
retorno del bulón deslizante conformado por el pin de
retorno y el resorte de retorno (Rubio, 2019). Durante
el proceso de trabajo del arado se generan fuerzas
distintas, las mismas que fueron usadas para el diseño
de los brazos portadiscos y el sistema de rueda guía,
color celeste los elementos de máquina diseñados como
consecuencia de cada acción en el proceso de trabajo
(Rubio, 2019).
RESULTADOS
a. Descripción del nuevo modelo de reversión
La fuerza de tracción con la que se produce el
levante del implemento actúa como fuerza excéntrica
sobre el extremo superior de la placa (1), provocando un
momento de rotación M1, respecto a su eje de soporte
de dicha placa va enganchada la barra de reversión (2)
al cual, como efecto de esta rotación, se le aplica una
fuerza de compresión (F comp) la cual es transmitida a
un pin deslizante enganchada en el siguiente extremo de
la barra (3); este pin se encuentra ubicado en el extremo
de una ranura hecha sobre una placa soldada alrededor
del eje principal, por lo que la fuerza aplicada a este pin
produce una fuerza excéntrica en la placa principal de
reversión, generando un momento de rotación M2,
alrededor del eje principal de reversión como se ve en
simultáneamente tres momentos de giro; en la parte
superior del bastidor principal se produce la rotación del
brazo superior de reversión M3, el cual es responsable
de la reversión del disco guía.
86 Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Figura 9
a. Fuerzas y momentos en los mecanismos de reversión, generados en el instante del levantamiento del
arado por el enganche de tres puntos, b. Acercamiento de la gura "a" en el enganche de tres puntos.
En la parte inferior del bastidor principal se produce
la rotación del bastidor secundario (M4), responsable
de la reversión de los discos de aradura, como se
el giro en el sistema de barras articuladas responsable
de ajustar el ángulo de precisión, para la posición
levantamiento del implemento, el tractor realiza el
volteo de la máquina, colocándose nuevamente en la
línea de aradura, para su posición de trabajo. En el
instante en que el arado empieza a realizar la acción de
corte y volteo, el suelo produce fuerzas de resistencia
producen un momento M6 respecto del punto O (Puntos
de enganche inferior), este momento genera sobre la
placa de reversión una fuerza inversa a la anterior (6),
el cual produce un momento de rotación inverso M7 y
aplica una fuerza de tracción sobre la barra de reversión
(8), la cual jala al pin deslizante de su posición anterior y
junto con el resorte de enclochamiento, coloca al pin en
su posición inicial (Figura 10). De esta manera, se coloca
al arado listo para iniciar otro proceso de reversión en el
momento del levante (Rubio, 2019).
Fuerzas y momentos en los mecanismos del arado, generados en el instante del inicio del trabajo de aradura.
87Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
b Descripción de los elementos de máquinas
(materiales y costos), subensambles y
prototipo total diseñado
Las evaluaciones dieron como resultado que los
criterios más importantes fueron, la funcionalidad,
el peso y los costos. Utilizando sistemas CAD de
simulación en diseño mecánico (Solid Works) (Dassault
Systemes, 2021), se calculó el peso bruto del implemento
de 563 Kg aproximadamente y dimensiones de 1.23 m
de alto, 1.10 m de ancho y 2.04 m de largo (Figura 11).
Aprovechándose la totalidad del peso del implemento en
la penetración corte y volteo de los terrenos de cultivo,
se utilizó para su fabricación, materiales nacionales
peruano (ángulos, barras, platinas, canales y planchas)
fabricadas bajo normas técnicas de ingeniería. El
resultado para los dos bastidores (Bastidor principal
rígido y Bastidor secundario móvil) es un diseño en
de cajón. El Bastidor principal rígido (Tabla 4) contiene
al enganche de tres puntos con el que se une al tractor.
Este bastidor principal soporta, a través del eje central,
al bastidor secundario (Tabla 5) y al sistema de reversión
por gravedad, permitiéndole a los discos revertir su
posición lateral (Tabla 6). Adicionalmente, en la parte
posterior sostiene y dirige la posición de la rueda guía
(Tabla 7).
Los resultados presentan los planos principales en la
los detalles de los subensambles (Costos de materiales y
geometría) en las siguientes tablas: Tabla 4; Ensamble del
bastidor principal rígido, Tabla 5; Ensamble del bastidor
secundario móvil, Tabla 6; Ensamble de los brazos
portadiscos y discos de aradura, Tabla 7; Ensamble de
la rueda guía y la Tabla 8 que presentan el resumen de
los costos totales por cada subensamble mencionado y el
costo total del arado reversible por gravedad en dólares
americanos.
FPlanos principales: vistas frontal, lateral, planta y perspectiva del arado diseñado.
88 Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
Ensamble del bastidor principal rígido
item
Nombre de la pieza
Caracteristicas de la
pieza
"Material en m²"
"Peso teorico
mat x m²"
"Peso material
"Costo ($) por Kg mat"
"Costo de la pieza
material en $"
factor de costeo
Costo total pieza en $
Espesor
ancho
largo
8 Placa de enganche Superior (2) 1/2" 272.32 415 0.113 94.2 11.710 0.94 11.05 222.10
3platina de recubrimiento trasero 3/8" 144 310 0.045 70.65 3.469 1.20 4.18 1.5 6.27
4placa enganche inferior,
izquierda 1/2" 155 420 0.065 94.2 6.746 0.94 6.34 1 6.34
placa enganche inferior, derecha 1/2" 155 420 0.065 94.2 6.746 0.94 6.34 1 6.34
2 transversal 5/16" 170 750 0.128 62.8 8.808 1.00 8.84 7 61.87
1 Pieza principal 5/16" 220 1520 0.334 62.8 23.100 1.00 23.18 7 162.27
5 Sujecion arco centro 3/4" 48 55 0.003 149.15 0.433 1.24 0.54 1.5 0.81
7 Arco guia 1" 80 1050 0.084 196.25 18.134 1.15 20.80 3 62.39
6 Soporte Arco guia, izquierda 3/4" 141 55 0.008 149.15 1.272 1.24 1.58 1.5 2.37
Soporte Arco guia, derecha 3/4" 141 55 0.008 149.15 1.272 1.24 1.58 1.5 2.37
80 Tubo proteccion del eje
principal rev 3 1/2" 0.232 25 5.800 15 95.7 3.5 124.06
9 Platina de refuerzo 5/8" 76 1067 0.081 125.6 11.204 1.09 12.21 2 24.42
Platina de refuerzo 5/8" 76 1067 0.081 125.6 11.204 1.09 12.21 2 24.42
Tapa lateral de refuerzo 1/2" 128 300 0.038 94.2 3.979 0.94 3.75 1.5 5.63
10 Asiento de platina de soporte 1/4" 25 75 0.002 137.9 0.284 1.27 0.36 1.5 0.54
Asiento de platina de soporte 1/4" 25 75 0.002 137.9 0.284 1.27 0.36 1.5 0.54
total costo despiece 512.74
Costo varillas de soldadura 87.04
Costo total despiece 599.77
factor de costeo (mano de obra y
costos indirectos) 2
Costo total ensamble 1199.55
Tabla 4
Elementos que componen el bastidor principal, características físicas, costo por cada elemento, y costo total del ensamble .
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Ensamble del bastidor secundario móvil
Tabla 5
Bastidor secundario móvil, características físicas, costo por cada elemento, y costo total del ensamble.
item
Nombre de la pieza
Caracteristicas de la
pieza
"Material en m²"
"Peso teorico
mat x m²"
"Peso material
"Costo ($) por Kg mat"
"Costo de la pieza
material en $"
factor de costeo
Costo total pieza en $
Espesor
ancho
largo
73 Soporte F superior 3/4" 60 130 0.0078 149.15 1.28 1.24 1.59 1.5 2.38
74 Soporte F inferior 3/4" 60 130 0.0078 149.15 1.28 1.24 1.59 1.5 2.38
72 Soporte F base 3/4" 140 213 0.02982 149.15 4.45 1.24 5.52 1.5 8.28
71 Pieza principal Bastidor
secundario 3/8" 220 1185 0.2607 70.65 18.42 1.20 22.18 7 155.24
75 tubos de refuerzo para los
brazos (3) 3 1/2" 0.15 25 3.75 3.70 13.89 10.5 145.83
76 proteccion del bastidor
secundario 1/2" 110 110 0.0121 94.2 1.14 0.94 1.08 1.5 1.61
77 eje de reversion principal 2 1/2 0.432 25 10.8 5.56 60 3.5 210.00
total costo despiece 525.73
Costo varillas de soldadura 43.52
Costo total despiece 569.25
factor de costeo (mano de obra y
costos indirectos) 1.50
Costo total ensamble 853.87
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Tabla 6
Brazos portadiscos, muñón de sujeción y discos de aradura, características, costo por cada elemento, y costo total del ensamble.
item
Nombre de la pieza
Caracteristicas de la
pieza
"Peso teorico
mat x m²"
"Peso material
"Costo ($) por
Kg mat"
"Costo de la pieza
material en $"
factor de costeo
Costo total pieza en $
Espesor
ancho
largo
131 Eje portadiscos 85 527 18.06 10.93 3.70 109.28 3.5 141.66
128 Barra de sujecion del muñon 1 32 118 257 7.608 3.70 28.18 3.5 98.62
129 Barra de sujecion del muñon 2 32 118 257 7.608 3.70 28.18 3.5 98.62
120 Muñon de discos 28.84 2.5 72.11
121 Pista 1 rodamiento 2 1 2
122 Pista 2 rodamiento 2 1 2
124 Rodamiento 1 12 1 12
119 Rodamiento 2 12 1 12
125 Tuerca de sujecion total 0.326 3.70 1.21 3.5 4.23
126 Tapa total del muñon 7.93 2 15.86
117 2º agarre del disco 10.34 3.70 38.29 2 76.58
118 Anillo de retencion de aceite 0.32 3.70 1.18 2 2.36
123 Arandela de rodamiento 2 1 2
127 Anillo exterior del muñon 0.27 3.70 1.01 2 2.02
130 Barra de rigidez central de sujecion 1.30 3.70 4.83 2 9.66
132 disco de arado 56.5 1 56.5
total costo despiece 608.24
Costo varillas de soldadura 8
Costo total ensamble 616.24
Costo total ensamble (3 discos) 1848.72
Ensamble de los brazos portadiscos y discos se aradura
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Ensamble de la rueda guía
Tabla 7
Estructura de sujeción y el disco guía, características, costo por cada elemento, y costo total del ensamble.
item
Nombre de la pieza
Caracteristicas
de la pieza
"Material en m²"
"Peso teorico
mat x m²"
"Peso material
"Costo ($) por
Kg mat"
"Costo de la pieza
material en $"
factor de costeo
"costo total
pieza en $"
Espesor
ancho
largo
95 Eje disco guia 50 605 16 9.68 10 96.8 3.5 125.5
96 Placa de agarre inferior 100 100 25 0.0025 196.25 0.540 1.15 0.621 2 1.241
97 Placa de agarre superior 100 100 25 0.0025 196.25 0.540 1.15 0.621 2 1.241
98 Muñon de rueda 24.44 3.5 85.56
99 Pista 2 rueda guia 2 1 2
100 Rodamiento 2 guia 9.26 1 9.26
101 Pista 1 rueda guia 2 1 2
102 Rodamiento 1 guia 9.26 1 9.26
105 6.11 2 12.22
106 Eje conjunto rueda guia 25 25 166 6.25 1.663 10 16.625 3.5 21.6
107 Rosca de sujecion eje rueda guia 7
108 7.667 2 15.3
109 3.8544 10 38.544 2 77.1
110 Disco Rueda guia 55.926 2 111.9
111 Contrapeso rueda guia 4.548 10 16.84 2 33.69
total costo despiece 514.84
Costo varillas de soldadura 5
Costo total despiece 519.84
factor de costeo (mano de obra y
costos indirectos) 1.85
Costo total ensamble 961.7
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Costo total del arado de discos reversible por gravedad
Tabla 8
Costos totales por cada subensamble y el costo total del arado reversible por gravedad en dólares americanos.
Item SUB EMSAMBLES PARCIALES COSTO
1 ENSAMBLE PRINCIPAL 1754.60
2 SUJECION DISCO DE DIRECCION 208.79
3 BASTIDOR SECUNDARIO 853.87
4 BRASITO DE REVERSION 48.00
5 BRAZO DE REVERSION SUPERIOR 140.61
6 50.87
7 38.69
8 REVERSION SUPERIOR TRES PUNTOS 39.20
9 BARRA DE REVERSION SUPERIOR 176.32
10 1053.58
11 ENSAMBLE DE LOS ANTEDISCOS (3 discos) 1232.44
TOTAL 5596.96
FACTOR DE COSTEO 1.10
COSTO TOTAL 6156.661241
Discusión
Está claro que uno de los requerimientos más
importantes, es diseñar un arado con tecnología
intermedia a partir de las variantes de diseño; siendo
las soluciones 1, 2 y 4 las que cumplen a cabalidad este
requerimiento, la soluciones que presentan una mayor
rigidez en su estructura principal son los conceptos
de solución 1 y 2, por lo que se descarta la variante de
solución 4. En la solución 1 los sistemas de reversión
del arado se producen por acción de la fuerza humana
aplicada a una palanca, y en la solución 2 se produce por
la acción de la gravedad. El sistema por palanca contiene
elementos sencillos en el mecanismo de reversión
primaria debido a que la fuerza humana es controlable,
pero tiene el problema que el tractorista debe girar casi
180° sobre sí mismo para aplicar la fuerza de reversión,
2 la reversión se produce por efecto de la gravedad e
inerciales, esto hace que los elementos de reversión
primaria sean más rígidos y robustos, pero el diseño
4) (función de "Transformación de la fuerza excéntrica
en momento de reversión), para la solución 1 (Palanca)
que en la misma función para la solución 2 se escogió
un elemento mecanizado con guía de movimiento en V,
de mayor masa y resistencia. Del mismo modo, para la
función de "Topes de giro en la guía de reversión"; para la
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solución 1 se escogió topes empernados mientras que en
la solución 2 se escogió soldadura de 5 mm de cordón, lo
que hace de la solución 2 un diseño mucho más rígido y
óptimo para absorber los esfuerzos de movimiento.
En la Tabla 9 se presenta la tabla de comparación de
costos para la implementación de un prototipo; para
ello, se usó datos técnicos obtenidos de cotizaciones
por parte de la empresa IPESA, la cual es proveedor
de la marca John Deere (Suarez, 2022) y la cotización
2022) para el costo de arados similares en el mercado
peruano, observándose que el arado diseñado cuesta
aproximadamente mil dólares más que el arado hecho
en forma artesanal pero casi $3300 menos que el costo
de un arado John Deere de características similares.
Tabla 9
Tabla comparativa de los costos de venta en el mercado peruano de arados de discos reversibles frente a lo que costaría producir el arado diseñado,
en dólares americanos.
Caracteristicas Generales John Deere Orbes Diseño
Caracteristicas de diseño Alta tecnologia Artesanal tecnologia intermedia
Modelo 635 ARBH 03x28
Version Reversion hidraulica Reversion hidraulica Reversion por gravedad
N° de discos 3 3 3
Diametro de los discos 28"x 6.09 mm. 28"x6 mm. 28"x6 mm.
Ancho total de trabajo 762 mm. 896 mm. 852 mm.
Profundidad de trabajo 356 mm. 300 mm. 343 mm.
Peso aproximado 550 Kg. 600 Kg. 563 Kg.
Potencia del tractor 64 - 75 Hp. 80 a mas Hp. 55 - 75 Hp.
Precio de venta total 9,440.00 $. 5,100.00 $. 6,156.00 $.
Estructura Acero estructural A-36 Acero estructural A-36
Enganche
alta resistencia"
alta resistencia"
Conclusiones
El diseño de un prototipo en sistemas CAD de
un arado reversible por gravedad es de bajo costo ($
6156.00) y de alta calidad. Fue de gran importancia el
tomar en cuenta los conceptos de TRIZ y QFD utilizados
para optimizar la funcionalidad tanto a nivel elemental,
implemento.
La aplicación de sistemas CAD permiten optimizar
simulaciones de movimiento para el nuevo modelo de
reversión por gravedad al cual fue necesario realizarle
un análisis cinemático para sus componentes móviles,
entre ellos, de este modo, se reduce enormemente los
costos de fabricar un prototipo físico, adicionalmente
los sistemas CAD dan la facilidad de realizar un análisis
de sensibilidad en función a la simplicidad de sus
componentes asegurando bajos costos de producción
y facilidad de mantenimiento. Se sugiere utilizar
la metodología aplicada en el presente estudio por
ser robusta y entendible al diseño de cualquier otro
implemento agrícola, abaratando costos y poniendo
al alcance de los agricultores de bajos recursos
implementos de calidad.
Contribuciones de los autores
Concepción y diseño del estudio, preparación y
ejecución, recopilación, análisis e interpretación
de datos, redacción del artículo, revisión crítica y
supervisión del contenido intelectual.
Fuentes de Financiamiento
Universidad Nacional Agraria La Molina, UNALM
Financiamiento propio
94 Cátedra Villarreal | Lima, perú | V.10 | N. 2 | julio - diciembre | 2022 | e- issn 2311-221237
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