Simulação do comportamento dinâmico de uma colhedora de feijão

Abstract

Com o objetivo de realizar a simulação do comportamento dinâmico de uma colhedora de feijão (Phaseolus vulgaris L.), foi implementado um sistema de aquisição automática de dados, avaliado o desempenho operacional de um conjunto trator- colhedora de feijão e desenvolvido e validado um modelo de simulação de sistemas mecânicos para análise do comportamento dinâmico deste conjunto. Parte do trabalho foi realizada no Laboratório de Mecanização Agrícola e no Laboratório de Projeto de Máquinas e Visão Artificial do Departamento de Engenharia Agrícola, da UFV. Esta etapa constou de instalação e configuração de sensores e de equipamentos de aquisição automática de dados. A avaliação de desempenho do conjunto trator-colhedora de feijão foi realizada na Área Experimental da Epamig e no Laboratório de Automação Agropecuária da Embrapa Milho e Sorgo em Sete Lagoas, MG. Os ensaios foram realizados com a cultura de feijão cultivar Pérola, utilizando-se um trator Massey Ferguson modelo MF 620 4x2 com tração dianteira auxiliar e uma colhedora de arrasto Colombo modelo Double Master. O conjunto trator-colhedora de feijão foi ensaiado sob diferentes condições de operação, ou seja, velocidade de deslocamento de 4, 7 e 10 km/h, número de linhas de feijão na leira colhida de 4, 7 e 10 linhas e rotação da tomada de potência (TDP) de 420 e 540 rpm. O sistema de aquisição automática de dados foi implementado, utilizando-se o programa de computador LabVIEW versão 6i e equipamentos da National Instruments. Foi desenvolvido um aplicativo para os sensores célula de carga, torquímetro, medidor de rotação tipo sensor indutivo e medidor de velocidade tipo radar, permitindo a coleta e armazenamento de dados, em tempo real, de força de tração requerida pela barra de tração, torque requerido e rotação da TDP, e velocidade de deslocamento da máquina colhedora de feijão, respectivamente. Na avaliação do desempenho operacional do conjunto trator-colhedora de feijão, foram determinadas as características operacionais, dinâmicas e de manejo que representavam o comportamento do conjunto trator-colhedora de feijão durante a operação de colheita. A capacidade de processamento do conjunto foi determinada, medindo-se a produção da máquina por unidade de tempo, não considerando os tempos perdidos. A avaliação de perdas foi feita através de amostragens durante os ensaios, em que se recolheu o material perdido nos setores de recolhimento, trilha e separação, e limpeza da máquina, além das perdas no arranquio e enleiramento e as perdas naturais da área de ensaio. Para o desenvolvimento do modelo utilizado na simulação do comportamento dinâmico do conjunto trator-colhedora de feijão, utilizou-se o programa de computador ADAMS versão 10.0. Este modelo incluiu a simulação do trator, interação entre solo e pneu, simulação do sistema de transmissão de potência e dos sistemas de trilha e limpeza da colhedora de feijão. Foram modelados o trator, composto por oito corpos rígidos, e a colhedora de feijão composta por quatro corpos rígidos. A taxa de alimentação de feijão colhida pela colhedora de feijão foi calculada, em função do número de linhas enleiradas, distância entre as fileiras, velocidade longitudinal do sistema, produtividade do feijão e relação, em massa, de palha e grão da cultura. O peso do produto no tanque graneleiro foi obtido, integrando-se a taxa de alimentação do produto da máquina em função do tempo. No trabalho realizado, implementou-se um sistema de aquisição automática de dados e desenvolveu-se o aplicativo AvaliaMA para avaliação de máquinas agrícolas buscando a coleta de dados de uma forma eficiente e eliminando os erros tradicionais gerados pela coleta de dados convencional, como anotações incorretas em planilhas e perda de dados. Observou-se, durante ensaios, facilidade de operação do sistema, permitindo rapidez na operação de aquisição de dados, e a capacidade de combinar o sistema implementado para atender a demandas de diversas pesquisas, podendo ser utilizado em diferentes tipos de máquinas agrícolas. Na avaliação do desempenho operacional do conjunto trator-colhedora de feijão, foi utilizado o sistema de aquisição automática de dados implementado. O maior valor de torque requerido na TDP, observado durante os ensaios de campo para a rotação de 420 rpm na TDP, foi de 730,84 mN, resultando numa potência requerida na TDP de 26,79 kW, enquanto para a condição de 540 rpm foi de 907,21 mN, resultando numa potência requerida na TDP de 47,96 kW. O conjunto apresentou, durante os ensaios de campo, capacidade de processamento de 3,06 t/h, para uma área com produtividade média de 2186,63 kg/ha. Os valores de perdas para os sistemas da plataforma de recolhimento, trilha e separação, e limpeza encontrados foram de 114,93, 72,11, e 9,11 kg/ha, respectivamente, totalizando cerca de 11,15 % de perdas. Um modelo matemático para simular o comportamento dinâmico do trator foi desenvolvido e utilizado para simular seu raio de giro observando-se, na comparação dos valores simulados com os dados experimentais, um erro máximo de 1,82%. Um outro modelo matemático para simular o comportamento dinâmico do conjunto trator-colhedora de feijão foi também desenvolvido e utilizado, sob três diferentes condições. Comparando-se os dados obtidos sob testes experimentais desenvolvidos em condições de campo com os valores obtidos na simulação, observou-se, na primeira condição de simulação, erro relativo médio de 17,08%, 13,61%, 5,91%, 35,89% e 25,99% para a velocidade de deslocamento, taxa de alimentação, rotação da TDP, torque e potência requeridos na TDP, respectivamente. Na segunda condição de simulação, observou-se erro relativo médio de 16,91%, 5,76%, 28,88% e 27,68% para a velocidade de deslocamento, rotação da TDP, torque e potência requeridos na TDP, respectivamente. Na terceira condição de simulação, observou-se erro relativo médio de 17,16%, 36,93%, 5,99%, 36,52% e 34,55% para a velocidade de deslocamento, taxa de alimentação, rotação da TDP, torque e potência requeridos na TDP, respectivamente.

With the objective of simulating the dynamic performance of a beans (Phaseolus vulgaris L.) harvester, a data automatic acquisition system was implemented, the operational performance of a tractor-harvester system for beans was evaluated, and a simulation model for dynamic performance of the tractor-harvester system for beans was developed and evaluated. Part of the work was done in the Agricultural Mechanization and in the Machines Project and Artificial Vision Laboratories of the Department of Agricultural Engineering, Federal University of Viçosa. This stage consisted of the installation and configuration of sensors and data automatic acquisition system equipments. The performance evaluation of the tractor-harvester system for beans was done in the Experimental Area of Epamig and in the Embrapa Agricultural Automation Laboratory of Corn and Sorghum in Sete Lagoas, MG. For the field tests, a beans cultivar "Pérola" was harvested with a Massey Ferguson tractor, MF 620 model equipped with front-wheel auxiliary drive, and a Colombo Double Master beans harvester. The field tests were done in different operation conditions, varying travel speed (4, 7 and 10 km/h), number of beans lines picked (4, 7 and 10) and power takeoff (PTO) rotation (420 and 540 rpm). The data automatic acquisition system was implemented using the computer program LabVIEW 6i and National Instruments equipments. A Virtual Instrument was developed for load cell, torque meter, inductive sensor type rotation meter and radar type speedometer, allowing the acquisition and storage of data, in real time, of traction force required by the traction bar, PTO torque and rotation required, and speed travel of the system, respectively. The operational, dynamics and handling characteristics, that represented the tractor-harvester system for beans performance, were evaluated during the harvest operation. The capacity of processing of the system was determined measuring the machine production by unit of time, without considering the lost time. The losses evaluation was made through samplings, during field tests, where the lost material was collected in the pickup reel platform, threshing and separation, and cleaning sections of the machine, besides the losses in the alignment operation and the natural losses of the field. For the development of the model, to simulate the dynamic performance of the tractor-harvester system for beans, the computer program ADAMS 10.0 was used. The model included tractor simulation, and a soil/tire interface, a power train and threshing and cleaning systems of the beans harvester. The tractor was modeled as composed by eight rigid bodies, and the bean harvester, by four rigid bodies. The total feeding rate was calculated in function of the number of lines, distance among the lines, travel speed of the system, field productivity and material other than grain and grain ratio. The weight of the product in the harvester tank was obtained integrating the feeding rate of the product in function of the time. A data automatic acquisition system was implemented and an AvaliaMA Virtual Instrument was developed in order to evaluate agricultural machines. During field tests, the system showed capacity to supply results accurately acceptable and to be combined to assist specific test demands that could be used in different types of agricultural machines and in different climatic conditions. In the operational performance evaluation of the tractor-harvester system for beans, the data automatic acquisition system implemented was used. The largest PTO torque required value observed during the field tests for the 420 rpm rotational velocity was 730.84 mN, resulting in a PTO required power of 26.79 kW, and for the 540 rpm condition, it was 907.21 mN, resulting in a PTO required power of 47.96 kW. The group presented a processing field capacity of 3.06 t/h, for an area with productivity of 2,186.63 kg/ha. The loss values for the gathering, threshing and separation, and cleaning systems were 114.93, 72.11, and 9.11 kg/ha, respectively, resulting in 11.15% of loss. The simulation models of the tractor-harvester system for beans, of the interaction between soil and tire, of the power transmission system and of the threshing and cleaning systems of the harvester were developed. Finally, the dynamic performance analysis of the tractor- harvester system for beans was done. Comparing actual and simulated data, it was found, at the first simulation condition, average relative error of 17.08%, 13.61%, 5.91%, 35.89% and 25.99% for the velocity, feeding rate, PTO rotational velocity, PTO required torque and PTO required power, respectively. At the second simulation condition, it was found average relative error of 16.91%, 5.76%, 28.88% and 27.68% for the velocity, PTO rotational velocity, PTO required torque and PTO required power, respectively. At the third simulation condition, it was found average relative error of 17.16%, 36.93%, 5.99%, 36.52% and 34.55% for the velocity, feeding rate, PTO rotational velocity, PTO required torque and PTO required power, respectively.