Una máquina de gestión de residuos para picar residuos de arroz en un campo de arroz cosechado con cosechadora - Hefei StarBridge Ventures Group Co., Ltd.

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 la recolección de cultivos; como resultado, una gran cantidad de material vegetal y residuos de cultivos se concentra en una franja estrecha de material vegetal que sale de la cosechadora, lo que dificulta la tarea de gestión de residuos. Este documento tiene como objetivo desarrollar una máquina de gestión de residuos de cultivos que pueda picar los residuos de arroz y mezclarlos con el suelo del campo de arroz cosechado combinado. Para ello, se adjuntan a la máquina desarrollada dos unidades importantes: las unidades de picado y de incorporación. El tractor opera esta máquina como fuente principal, con un rango de 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 km/h), 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 rotavator y se encontró su efecto sobre la eficiencia de incorporación, la eficiencia de trituración y la reducción del tamaño de la basura de los residuos de arroz picado. La incorporación de residuos y eficiencia de trituración fue más alta en los arreglos V1H2F1R2 (95,31%) y V1H2F1R2 (61,92%). La reducción de basura 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 energía puede sugerirse a los agricultores para superar el problema de los residuos de arroz en arrozales de cosecha combinada.

La recolección 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 estructura y la fertilidad 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 en el 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, la pendiente y las prácticas de gestión de residuos.

Hubo un tremendo aumento en los rendimientos de los principales cultivos desde 1949–50 hasta 2017–18. Fue alrededor del 379,8% en arroz, 1460,4% en trigo, 1337,6% en maíz, 209,9% en legumbres, 388,7% en oleaginosas y 669,3% en 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 el 27-36 % y los residuos de arroz representan el 51-57 %7,8. En la región noroeste (NO) de la India, a saber, Punjab, Haryana y Uttar Pradesh, los residuos de los cultivos de arroz se queman in situ, lo cual es otra práctica común de gestión. La quema de residuos contribuye hasta en un 20 % al presupuesto de emisiones de la quema de desechos agrícolas en el noroeste de la India9. Cada tonelada de paja (arroz y trigo) al quemarse libera 3 kg de una materia particular, 60 kg de CO, 1460 kg de CO2, 199 kg de ceniza y 2 kg de SO210, lo que provoca un calentamiento global significativo y lluvia ácida. Y alrededor del 32 al 67 % del peso de la paja y del 27 al 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 emita 110, 2306, 2 y 84 gigagramos (Gg) de CH4, CO y NOx, respectivamente12. Así, el país debe potenciar 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 del trabajo que se dedica a diferentes aspectos de las operaciones agrícolas. Por el contrario, 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 la tenencia de la tierra para cosechar los beneficios de la mecanización agrícola13.

En cuanto al crecimiento económico mundial, se puede decir que la producción agrícola juega un papel importante en el impulso de ese crecimiento. Sin duda, India es el segundo mayor productor mundial de arroz y trigo. De acuerdo con la literatura disponible, por cada 4 toneladas de producción de trigo o arroz se producen alrededor de 6 toneladas de residuos, lo que representa una enorme cantidad de paja disponible para una eliminación segura y adecuada al año. En un campo de cosecha combinada, el rendimiento total de residuos de arroz de la granja 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 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 de alrededor del 34% y 22%, respectivamente. Del total de residuos de cultivos, 360 TM se utilizan para alimentación animal, acolchado de suelos, bioestiércol, techos de casas rurales y combustible para uso doméstico e industrial. Después de este uso de recolección, hay una cantidad 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 vinculada con mano de obra agrícola poco calificada15,16 ,17,18.

La quema de residuos de cultivos libera una cantidad sustancial de humo y hollín en el aire, lo que aumenta la contaminación. Este proceso conduce a la liberación de gases de efecto invernadero (GEI), como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, que contribuyen al calentamiento global. Además, da como resultado la pérdida de importantes nutrientes para las plantas, 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, lo que agrava aún más el impacto de los problemas del cambio climático19.

Además de quemar los residuos de cultivos, existen muchas alternativas posibles a la quema de residuos de cultivos, incluida la descomposición del residuo con un adyuvante químico, la trituración del residuo y luego su incorporación al suelo. Triturar la 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 los residuos aumentaría la superficie de los 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 agrícola. 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 de 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 en el 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 de los residuos. Por lo tanto, es importante enfatizar la importancia del manejo adecuado de los residuos de cultivos para mantener la fertilidad del suelo para 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 del suelo mejorado, 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 causado una tasa de degradación más rápida, como lo indica un aumento en la mineralización de carbono y nitrógeno, ha influido en el tiempo máximo de respiración o no ha tenido ningún efecto sobre la respiración. Se necesitan múltiples operaciones de labranza (2 o 3 veces con grada/cultivador mecánico, o rotavator y tablón) para incorporar paja y preparar el semillero para la siembra de trigo, lo que eleva el costo del cultivo y retrasa la siembra de trigo. La incorporación de la paja en el campo requiere mucho tiempo y requiere de 6 a 7 operaciones. Por lo tanto, los agricultores optan por quemar la paja de arroz para limpiar rápidamente el campo para sembrar la próxima cosecha de trigo, ya que tiene un uso limitado27. La maquinaria para la gestión de residuos de cultivos combina un rotavator y un picador de paja, una sembradora feliz, una sembradora de semilla cero, una empacadora de paja y un sistema de gestión de paja en una cosechadora combinada.

La sembradora rotativa se desarrolló para sembrar trigo después de la cosecha del arroz28. La máquina era un rotavator combinado con una sembradora. Afirmaron que el rendimiento de la máquina no era satisfactorio en campos de arroz de cosecha combinada. Además, afirmaron que cuando se utiliza después de que la paja haya sido picada con un picador de paja, el rendimiento de la máquina es aceptable28,29. Se desarrolló una sembradora combinada feliz; siembra el campo en una sola operación mientras corta, levanta y tira la paja suelta y el rastrojo en pie. Requiere el tractor con 45 hp como fuente de energía y accionado por la toma de fuerza del tractor con una capacidad de campo de 0,3–0,04 ha/h mientras se opera con un tractor. El desempeño satisfactorio de la máquina se encontró cuando la carga de paja fue menor a 7 t/ha. Se observó la acumulación de lodo y paja en los sembradores felices en suelos arcillosos húmedos.

En una sola operación, la máquina cosecha los rastrojos que quedan después del peinado, troceados, y los esparce en el suelo27. Con una sola operación de rotavator o grada de discos, los rastrojos cortados y extendidos se enterraban fácilmente en el suelo y se pudrían después del riego. El picador y esparcidor de paja de arroz funciona satisfactoriamente tanto en condiciones de rastrojo suelto como en pie. Sin embargo, la paja picada y los rastrojos requerían más tiempo de descomposición, retrasando la siembra de la siguiente cosecha. Se observó obstrucción de paja suelta en la cosechadora de rastrojos y en el picador. Un golpeador de paja y un esparcidor de troncos son accesorios para la cosechadora actual. Estaba fijado al capó trasero de la cosechadora, detrás de los tamices de paja y justo delante de los sacudidores. El propósito principal de la máquina desarrollada era romper la paja y la paja del sacudidor de paja de la cosechadora y tamizarla en pedazos más pequeños antes de esparcirlos sobre el campo cosechado30.

Los picadores de residuos vegetales se pueden utilizar en varios campos, incluidos el maíz, el trigo, el arroz, el algodón y la caña de azúcar. Están disponibles de fabricantes como 1JH (China), Tornado (Italia), Croplogix (EE. UU.) y RM (Francia). Las cosechadoras de dos ruedas, cuatro ruedas y combinadas pueden operar las máquinas, siendo la versión de tractor de cuatro ruedas la más popular. La sembradora feliz, la incorporadora, la sembradora de semillas cero, la empacadora de paja, el picador de paja de arroz y el sistema de gestión de súper paja en una cosechadora son maquinaria agrícola disponible comercialmente para la gestión de residuos de cultivos. Sin embargo, el manejo de los residuos del arroz, que incluye cortar, trocear e incorporar, no puede lograrse solo 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 la 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.

Un picador de paja y un incorporador se combinaron con un marco ajustable para desarrollar el picador de paja con incorporador. La consideración de diseño anterior 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 normal 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 la pulverización adecuada del suelo durante la incorporación de los residuos de arroz 32. Investigadores anteriores demostraron que el rendimiento del picador de paja de 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 la cosecha. La longitud media del rastrojo de arroz era de unos 350–600 mm. El espacio horizontal entre el centro del eje del rotor del picador de paja y el eje del rotor del incorporador era 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 del incorporador era de 100 mm y 200 mm33. La forma de las palas del incorporador para la incorporación de residuos de arroz generalmente se utilizó en forma de L. Por lo tanto, las cuchillas tipo L se consideraron para este estudio 32. Al igual que en el pasado, las cuchillas mayales tipo J se utilizaron en una picadora tipo mayal, pero esas cuchillas no funcionaron satisfactoriamente para triturar y picar residuos de arroz. Las cuchillas de tipo gamma invertidas funcionan más satisfactoriamente que las cuchillas de tipo dentado 34 de tipo J y barra de corte. Por lo tanto, se usaron cuchillas de tipo gamma invertidas en el picador de paja. Según estudios anteriores, se recomienda que la velocidad de rotación del incorporador para la incorporación adecuada de residuos de arroz sea de 180 a 210 rpm32.

El marco se desarrolló utilizando tubos cuadrados MS (acero dulce) y MS Flat. Para este propósito se utilizaron tres tubos cuadrados de tamaño 75 × 75 mm de longitud 800 mm. Para el marco se utilizó el plano MS de tamaño 100 × 25 mm. El marco desarrollado es superior en el sentido de que se puede usar cualquier lado para ajustar el espacio libre horizontal y vertical entre el eje del 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 el incorporador determinó por separado los requisitos de torsión del picador de paja y el incorporador. La suma del requerimiento de toque del picador de paja y del incorporador fue el requerimiento de torque total de la máquina desarrollada. El requerimiento de potencia se asumió según las recomendaciones de los fabricantes y estudios previos. El torque se calcula usando la siguiente ecuación:

donde, P es el requerimiento de potencia del picador de paja, kW, T es el requerimiento de torque 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 y el incorporador. El requerimiento de torque total para la máquina desarrollada es 1790.94 Nm, la suma del requerimiento de torque individual del picador de paja (435.24 Nm) y el incorporador (1355.70 Nm).

El sistema abierto de correa y polea se usó para la transmisión de energía del picador de paja e incorporador. Se utilizó una correa de categoría B tipo V en el sistema de transmisión de potencia de la máquina desarrollada. La longitud de la correa se determinó utilizando 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 la polea conductora, mm, y X es la distancia central entre la polea conducida y la conductora, mm. La longitud calculada de la correa 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 de 1140 kg/m3, tensión admisible en la correa de caucho \(\left({ \varvec{\upsigma}}\right)\) es de 21 MPa, el coeficiente de fricción entre la correa y la polea (µ) es de 0,30 y el peso de la correa de goma por metro (m) es de 4,31 N.

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

donde, n es el número de correas, a es el área transversal calculada de la correa, mm2, y A es el área 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, yv es la velocidad de la correa, m/s. El área transversal estándar de la correa (A) = bt, donde b es el ancho de la correa en mm y t es el grosor de la correa en mm. Para el tipo de correa B, el ancho y el espesor son de 17 y 11 mm, respectivamente35.

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

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

Potencia asumida para picador de paja Pr = 30 kW

Por lo tanto, la cantidad de correas requeridas = \(\frac{a}{A}\), la cantidad de correas requeridas es 3.

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

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

El sistema de correa y polea 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 utilizaron 5 poleas multiranuras tipo B de varios diámetros, de las cuales dos poleas se utilizaron en la picadora de paja, es decir, la polea número 1 y la polea número 2, y las tres poleas restantes se utilizaron en la máquina de incorporación, es decir, la polea 3, 4 y 5. Se utilizó un juego de engranajes rectos (75 dientes) del mismo diámetro; el propósito principal de estos dos engranajes era invertir la dirección de rotación de la polea 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 chopper cum incorporator.

La potencia del eje de la TDF (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 picador utilizando un arreglo de correa y polea. Un sistema de poleas de correa abierta conectaba el eje del picador a la caja de engranajes 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 por engranajes rectos. La polea número 4 se montó en el eje respectivo. La dirección de rotación de la polea número 4 se cambió a la dirección contraria a las manecillas del reloj. 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 lo tanto, el eje del rotor del incorporador gira en sentido contrario a las agujas del reloj.

Las velocidades de la polea impulsora y de la polea impulsada se denominan relación de velocidad. 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 picado (= 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 combinó el marco ajustable, el incorporador y el picador de paja. El picador de paja tiene cuchillas tipo gamma invertidas, y los residuos de arroz procesado se incorporarán mediante un incorporador con cuchillas tipo L. La máquina desarrollada completa el corte, picado e incorporación de la paja en una sola pasada. La salud del suelo mejoraría aumentando la tasa de descomposición de residuos de 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) Vista superior (b) lateral, (c) frontal y (d) engranaje de la máquina de gestión de residuos desarrollada.

La prueba de campo se llevó a cabo 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 desde el nivel medio del mar en la faja de Tarai de nuestro país, como se muestra en la Fig. 6. El tractor fue utilizado 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 rendimiento de la máquina de gestión 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 rotavator (cm), capacidad de campo (ha h–1), reducción de tamaño de residuos de arroz (%), eficiencia de 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. Los ensayos se llevaron a cabo después de la cosecha del campo de arroz 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. El espacio libre horizontal excesivo expandirá el bastidor de la máquina, sobrecargando el varillaje de montaje del tractor. Un espacio libre horizontal demasiado pequeño causará una interferencia mutua entre los dos rotores, lo que aumentará la posibilidad de que se produzcan obstrucciones y devanados del tallo. 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 rotavator se mantuvo en 550 mm, y 650 mm se mantuvo bajo estudio. El espacio vertical entre el centro del rotor del picador de paja y el rotor del rotavator se mantuvo en 100 mm y 200 mm33. La velocidad rotatoria recomendada del rotavator se mantuvo entre 180 y 210 rpm para una pulverización adecuada del suelo durante la incorporación de los residuos de arroz30; Los investigadores anteriores demostraron que el rendimiento del picador de paja de mayal era mejor en los rangos de velocidad de rotación entre 750 y 1900 rpm27. La forma de las palas rotavator para la incorporación de residuos de arroz generalmente se usa tipo L. Por lo tanto, se consideraron cuchillas tipo L para este estudio32. Las hojas tipo gamma invertida funcionan de manera más satisfactoria que las hojas tipo J y las hojas dentadas de barra cortadora34. Por ello, hemos utilizado cuchillas de tipo gamma invertidas en el picador de paja.

El área total utilizada para evaluar la máquina desarrollada fue de alrededor de 2,5 ha. El área del tamaño de la parcela experimental individual fue de aproximadamente 30 × 15 m2. El número total de experimentos fue de 16 y estos experimentos se replicaron en tres ocasiones. Se utilizó el diseño de parcela dividida (4 × 4 × 3) para la evaluación estadística del picador de paja y 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 las variables dependientes como la eficiencia de incorporación, la reducción del tamaño de los residuos de arroz y la eficiencia de trituración. El análisis se realizó a 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 un nivel bajo, es decir, 2,1 km/h, y velocidad de rotación a un nivel bajo, es decir, 900 rpm.

F1R2: Velocidad de avance a un nivel bajo, es decir, 2,1 km/h, y velocidad de rotación a un 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 km/h, y velocidad de giro a un nivel alto, es decir, 1100 rpm.

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

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

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

H2V2: Ajuste horizontal a nivel alto, es decir, 650 mm, ajuste vertical a 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, la capacidad de campo real, la capacidad de campo teórica y la eficiencia de campo de la máquina de gestión de residuos desarrollada. Los resultados de estos estudios se presentan en la Tabla 7. El tiempo consumido para el experimento individual fue de aproximadamente 7 a 8 min. 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 (Cuadro 7). Las capacidades de campo reales y teóricas máximas fueron de alrededor de 0,35 y 0,64 ha/h, respectivamente (Cuadro 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 rotavator 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 de paja picada en el campo después de la operación en relación con los residuos de arroz de paja 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 de los residuos de arroz después de la operación y la longitud antes de la operación. Para medir la longitud de los rastrojos de arroz picados, se recolectaron aproximadamente 100 g de muestras de paja picada en una bolsa de polietileno en cada parcela. Se mantuvieron 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 de los residuos de arroz se determinó utilizando la siguiente relación:

donde, Eb = Reducción del tamaño de los residuos de 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 por el peso de 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 la misma ubicación 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 presentan 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 contraste, la menor eficiencia de incorporación se registró en el arreglo V1H2F2R2 (59,42%) y V1H1F2R2 (59,43%), seguido 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 arreglos en diferentes combinaciones varió de 59.42% a 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 km/h). No se observa ninguna diferencia de valor estadístico en varios niveles de arreglos horizontales sobre la eficiencia de incorporación. Un resultado similar mostró que el porcentaje de residuos de enterramiento aumentó con el valor promedio de la velocidad de rotación. Esto se debe a la disminución de la frecuencia de corte de mordida o de corte del suelo cuando aumenta la velocidad de rotación y disminuye la velocidad de avance36. Un patrón similar ha sido informado por Destain y Houmy37, quienes estudiaron el efecto de la cultivadora rotatoria en la estructura del suelo.

El efecto combinado de las velocidades de rotación y avance y los ajustes horizontal y vertical en 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 rotación, la velocidad de avance y el ajuste vertical y horizontal de la máquina de manejo de residuos fue significativa en la reducción del tamaño de un residuo de arroz picado. La máxima reducción de tamaño de residuos de arroz se obtuvo para los arreglos V1H2F1R2 (61,92 %), seguido de V1H1FIR2 (60,35 %), V1H1F1R1 (54,76) y V1H2F1R1 (54,49 %). La reducción de tamaño mínimo 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 rotación y velocidad de avance. La reducción del tamaño de los residuos aumentó con el aumento de la velocidad de rotación, mientras que disminuyó con el aumento de la velocidad de avance. Los resultados mostraron que cuando la velocidad de avance estaba en 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 da como resultado un menor número de cortes por unidad de tiempo de residuos de arroz, lo que resulta en una disminución en el porcentaje de reducción de altura de los residuos de arroz picados38.

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 manejo de residuos varió entre 4,69% y 40,57% para todas las combinaciones de arreglos, como se muestra en la Tabla 15. La eficiencia mínima de trituración de residuos de arroz se logró para los arreglos V1H2F1R2 (4,69%), seguido 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 km/h. La eficiencia de trituración más baja se encontró a la velocidad de avance a un nivel inferior (2,1 km/h). El efecto de varios niveles de disposiciones horizontales y los mismos niveles de avance y velocidad rotatoria sobre la eficiencia de trituración no resultó 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 garantizará la compresión adecuada de la paja porque hay más paja para cortar, es decir, la velocidad de alimentación aumentará a medida que la velocidad de avance aumenta Además, durante el experimento se observó que la longitud picada de la paja disminuía a medida que aumentaba la velocidad del cilindro 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 corte de paja, 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 estaba en 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 residuos de arroz a una mayor velocidad de avance. velocidad38. La tendencia muestra que la eficiencia de trituración fue mayor cuando la velocidad de avance fue de 3,0 km/h. Por el contrario, la eficiencia de trituración más baja se encontró a la velocidad de avance a un nivel más bajo (2,1 km/h). La velocidad de avance de la máquina de gestión de residuos desarrollada aumentó el número de cortes por unidad de tiempo por disminución de la unidad de longitud, lo que disminuyó el peso porcentual de los residuos de arroz picado, lo que provocó una disminución de la 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 India. Varias pruebas en fincas 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 con residuos de arroz. Zhang et al. (2017)1 resumió la investigación mundial sobre el diseño de las cuchillas, la disposición de las cuchillas 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 descomposición rápida para acelerar la descomposición del mantillo de paja en el suelo. Un picador de paja y un rociador de inoculante en descomposición se combinan para hacer la máquina. Antes de que el picador de paja corte la paja del cultivo, el rociador 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 es difícil para muchos agricultores adoptar esta sembradora debido a los 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 los de fincas marginales o pequeñas) y los fuertes subsidios a la electricidad y el diésel para la agricultura. Durante la fase de concientización, los subsidios para maquinaria han jugado un papel fundamental para hacer que la tecnología sea más atractiva. En muchas áreas, los agricultores aún prefieren campos limpios con bajos niveles de residuos. Para los agricultores, la quema de residuos de arroz es una forma fácil y económica de limpiar sus campos. Se deben 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/gestión residual y parámetros operativos, propiedades mecánicas y físicas de la paja de cultivo y rendimiento de la máquina que se ha llevado a cabo para mejorar la calidad del picado de paja de 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 se consideraron satisfactorias.

La capacidad de campo teórica, la capacidad efectiva y la eficiencia de campo de la máquina de gestión de residuos desarrollada fueron de 0,43–0,64 ha/h, 0,26–0,35 ha/h y 55–60,46 %, 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 por el picador de paja con incorporador oscila entre el 59,42 % y el 95,31 %.

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

La eficiencia máxima de trituración se registró en alrededor del 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 rango de alta potencia (> 60 hp), lo cual se basó en las sugerencias de los agricultores indios de que el sistema de transmisión de potencia podría modificarse. La transmisión por correa y polea se utiliza en la máquina de gestión de residuos desarrollada. Observó que se genera más calor entre la correa y la polea cada vez que aumenta la carga en el incorporador. Por lo tanto, este sistema de transmisión de energía no funciona por más tiempo. La transmisión de energía 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 fabricando un único bastidor tanto para la unidad de corte como para la unidad de incorporación; por lo tanto, el requisito de potencia de la máquina de gestión de residuos se puede reducir aún más.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido 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; Cátedra 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; Cátedra de Investigación del Premio Internacional del Agua Príncipe Sultán Bin Abdulaziz.

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

Chelpuri Ramulu, Raj Narayan Pateriya y Mude Arjun Naik

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

Chelpuri Ramulu

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

Dinesh Kumar Vishwakarma

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

Alban Kuriqui

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

Alban Kuriqui

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 para la Cátedra del Agua, Instituto Príncipe Sultán para la Investigación Ambiental, del Agua y del Desierto, Universidad King Saud, Riyadh, 11451, Arabia Saudita

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

Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Ciencias de la Agricultura y la Alimentación, Universidad King Saud, Riyadh, 11451, Arabia Saudita

Ahmed Z. Dewidar y Mohamed A. Mattar

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

Mohamed A. Mattar

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

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 29 noviembre 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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