Desarrollo de un sistema mecánico de un prototipo automático para la aplicación de fertilizantes granulados al voleo en cultivos de arroz en el departamento del Tolima
Este trabajo de grado tiene como finalidad el desarrollo de un prototipo portátil mecánico para la automatización de la fertilización en cultivos de arroz, utilizando fertilizantes granulados de nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K). El prototipo fue desarrollado en el semillero de investigación...
- Autores:
-
Espinosa Rojas, William Camilo
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad de Ibagué
- Repositorio:
- Repositorio Universidad de Ibagué
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12313/5230
- Palabra clave:
- Fertilizantes granulados
Cultivo de arroz - Fertilizantes granulados - Tolima
Tratamiento a dosis variable
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Perfiles de dosificación
Precision agriculture
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Este trabajo de grado tiene como finalidad el desarrollo de un prototipo portátil mecánico para la automatización de la fertilización en cultivos de arroz, utilizando fertilizantes granulados de nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K). El prototipo fue desarrollado en el semillero de investigación IMACUNA, adscrito al grupo de investigación D+TEC de la Universidad de Ibagué. Este proyecto se sitúa en el contexto de la agricultura de precisión, una disciplina que busca optimizar el rendimiento y la eficiencia de los cultivos mediante la aplicación de tecnologías avanzadas. En este sentido, se estudia la dosificación a tasa variable, una práctica que consiste en ajustar la cantidad de fertilizante aplicado en función de las necesidades específicas de cada área del campo, según factores como la textura del suelo, la topografía y la demanda nutricional de los cultivos. El trabajo incluye el diseño detallado de cuatro sistemas esenciales para el funcionamiento del prototipo: almacenamiento, dosificación, mezcla y dispersión. Estos sistemas están diseñados para garantizar una dosificación precisa y una dispersión uniforme del fertilizante, así como una mezcla homogénea que asegure una buena distribución de los nutrientes en el suelo. Para la fabricación del prototipo se emplean técnicas avanzadas como la impresión 3D, el corte por láser y el mecanizado, que permiten una alta precisión y calidad en los componentes. La evaluación del funcionamiento del prototipo y sus sistemas se realiza mediante pruebas en campo, donde se analiza la dosificación continua del fertilizante, la homogeneidad de la mezcla y se determinan los perfiles de distribución del fertilizante en el terreno. Estos resultados son fundamentales para validar la eficacia y la viabilidad del prototipo en un entorno real de cultivo de arroz, demostrando su potencial para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la fertilización en la agricultura de precisión. |
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Espinosa Rojas, W. C., (2024). Desarrollo de un sistema mecánico de un prototipo automático para la aplicación de fertilizantes granulados al voleo en cultivos de arroz en el departamento del Tolima. [Trabajo de grado, Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/5230 |
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Barrientos, F. (2017). Modelo analítico para estimar la capacidad de almacenamiento para materiales compresibles en silos circulares (Tesis de licenciatura). Universidad Técnica Federico Santa María, Chile. (Referenciado por Guillermo Rivas). Beltrán Barreto, G. X. (2023). Antecedentes, uso y aplicación de drones en Colombia como herramienta estratégica de análisis en la agricultura de precisión. Universidad del Tolima. Cassani, F. J. (2015). Diseño y cálculo de estructuras: Túnel y tolva de H° A° (Tesis de licenciatura). Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. CEMA. (2001). Screw conveyors. USA: CEMA Book. Consilla Donaire, M., Arias Segura, J., & Rodríguez Sáenz, D. (2022). Aumenta 137% el valor de las importaciones de fertilizantes químicos de América Latina y el Caribe en 2022. Blog del IICA. DANE. (2022). Encuesta nacional de arroz mecanizado (ENAM). https://goo.su/CiGzA3J DANE. (2023). Encuesta nacional de arroz mecanizado (ENAM), primer semestre 2023. https://www.dane.gov.co/index.php/estadisticas-por-tema/agropecuario/encuesta-de-arroz-mecanizado De Martí, S. P. (2019). Agricultura de precisión y protección de cultivos. Revista de Ingeniería, 8(47), 10–19. Guerrero, A. T. Q. (2016). Desarrollo de modelos predictivos para la determinación de los tipos de flujo en silos y tolvas (Tesis de licenciatura). Universidad Técnica Federico Santa María. International Society of Precision Agriculture. (2021). Definición de agricultura de precisión online. https://www.ispag.org/about/definition Pérez-Ortega, D. J., Bolaños-Alomia, F. A., & da Silva, A. M. (2022). Variables que influyen en la aplicación de la agricultura de precisión en Colombia: Revisión de estudios. Revista Corpoica: Ciencia y Tecnología Agropecuaria, 23(1). Kalman, H., Goder, D., Rivkin, M., & Ben-Dor, G. (1993). Effect of the particle-surface friction coefficient on the angle of repose. Bulk Solids Handling, 13(1), 123–128. Martin. (2017). Manual de diseño de transportadores helicoidales. http://www.martinsprocket.com Martínez Rodríguez, A., Gómez Águila, M. V., & Soto Escobar, M. (2021). Modelo y software para el cálculo de parámetros en discos centrífugos esparcidores de fertilizante. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(1). Guzmán G., M. P., Castilla Lozano, L. A., & Rodríguez, X. B. (2018). Hacia una agricultura de precisión en el cultivo de arroz. AMTEC. Nagles, F. (2021). Crisis arrocera en Tolima: Precio de compra cayó a bajos históricos. https://www.radionacional.co/regiones/andina/produccion-arroz-crisis-tolima-precio-de-compra-bajo Nisbett, R. G., & Budynas, R. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley (8.ª ed.). México: McGraw-Hill Interamericana. Ocampo, M., & Santa Catarina, C. (2018). Agricultura de precisión. Oficina de Información Científica y Tecnológica para el Congreso de la Unión (INCyTU), 15. Olivos Velásquez, M. A., et al. (2015). Estimación del ángulo de fricción interna y cohesión no drenada a partir de correlaciones basadas en ensayos in situ para suelos del piedemonte de los cerros orientales. Tesis de pregrado, Universidad Piloto de Colombia. Ortiz Cañavate, J., et al. (2012). Máquinas agrícolas y su aplicación. Biblioteca Hernán Malo González. Pirard, E. (2003). Granulometría y morfometría de materiales granulares por métodos ópticos. Université de Liège, GeomaC. Pisarenko, G. S., Yákovlev, A., Matvéeev, V., & Mirchevski, B. (1985). Manual de resistencia de materiales. Mir. Reimbert, M. A. (2000). Silos: teoría y práctica. Editorial Américales. Rodríguez González, L. J. (2020). Agricultura de precisión en el mundo y en Colombia: revisión bibliográfica. Universidad del Valle. Salamanca, M. del P., & Sanabria, S. M. A. (2021). El cultivo del arroz en la meseta de Ibagué: desarrollo y logros. Indagare, 1(9). Shigley, J. E., Mischke, C. R., Bocanegra, F. P., & Correa, C. O. (2008). Diseño en ingeniería mecánica (8.ª ed.). McGraw-Hill México. Train, D. (1958). Some aspects of the property of angle of repose of powders. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 10(Supplement 1), 127T–135T. Uribe, J. (2021). Una descripción de la agricultura de precisión. Centro de Desarrollo Agrobiotecnológico de Innovación e Integración Territorial - CEDAIT. Velascoa, M. A., Quevedoa, Y. N., & Bonillaa, C. A. (2022). Determinación de propiedades mecánicas a tensión y compresión de PETG procesado mediante fabricación por filamento fundido. En Proceedings of the XXVIII Congreso Internacional Anual de la SOMIM, Bogotá, Colombia (pp. 170–175). Zuleta, A. M. P., & Sanjuán, E. D. J. Z. (2018). Agricultura de precisión en Colombia utilizando teledetección de alta resolución. Suelos Ecuatoriales, 48(1 y 2), 41–49. |
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En este sentido, se estudia la dosificación a tasa variable, una práctica que consiste en ajustar la cantidad de fertilizante aplicado en función de las necesidades específicas de cada área del campo, según factores como la textura del suelo, la topografía y la demanda nutricional de los cultivos. El trabajo incluye el diseño detallado de cuatro sistemas esenciales para el funcionamiento del prototipo: almacenamiento, dosificación, mezcla y dispersión. Estos sistemas están diseñados para garantizar una dosificación precisa y una dispersión uniforme del fertilizante, así como una mezcla homogénea que asegure una buena distribución de los nutrientes en el suelo. Para la fabricación del prototipo se emplean técnicas avanzadas como la impresión 3D, el corte por láser y el mecanizado, que permiten una alta precisión y calidad en los componentes. La evaluación del funcionamiento del prototipo y sus sistemas se realiza mediante pruebas en campo, donde se analiza la dosificación continua del fertilizante, la homogeneidad de la mezcla y se determinan los perfiles de distribución del fertilizante en el terreno. Estos resultados son fundamentales para validar la eficacia y la viabilidad del prototipo en un entorno real de cultivo de arroz, demostrando su potencial para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la fertilización en la agricultura de precisión.This thesis project aims to develop a portable mechanical prototype for automating fertilization in rice crops, using granular fertilizers containing nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K). The prototype was developed within the IMACUNA research group, which is part of the D+TEC research team at the University of Ibagué. This project is set within the field of precision agriculture, a discipline focused on optimizing crop performance and efficiency through the use of advanced technologies. In this context, the study explores variable rate application, a method that adjusts the amount of fertilizer based on the specific needs of different areas in the field, depending on factors such as soil texture, topography, and the nutritional requirements of the crops. The work includes the detailed design of four key systems for the prototype’s operation: storage, dosing, mixing, and distribution. These systems are designed to ensure accurate dosing and even fertilizer distribution, as well as a homogeneous mix to support proper nutrient delivery to the soil. For the prototype’s construction, advanced manufacturing techniques were used, including 3D printing, laser cutting, and machining, all of which offer high precision and quality in the components. The prototype and its systems were tested in the field, where continuous fertilizer dosing, mixture uniformity, and fertilizer distribution profiles were evaluated. These results are essential to confirm the prototype’s effectiveness and feasibility in real-world rice farming conditions, showing its potential to improve the efficiency and sustainability of fertilization in precision agriculture.PregradoIngeniero Mecánico1. Introducción . . . . . 1 1.1. Justificación y motivación . . . . . 1 1.2. Objetivos . . . . . 2 1.2.1. Objetivo general . . . . . 2 1.2.2. Objetivos específicos . . . . . 2 1.3. Estructura del documento . . . . . 2 2. Estado del arte . . . . . 4 2.1. Agricultura de precisión . . . . . 4 2.2. Agricultura de Precisión en cultivos de arroz . . . . . 5 2.3. Aplicación de fertilizantes granulados . . . . . 6 2.4. Máquinas esparcidoras de fertilizante . . . . . 6 2.4.1. Clasificación . . . . . 7 3. Diseño del prototipo . . . . . 9 3.1. Descripción y nomenclatura . . . . . 9 3.2. Sistema de almacenamiento . . . . . 10 3.2.1. Características del material . . . . . 12 3.2.2. Análisis del Angulo de reposo . . . . . 12 3.2.3. Dimensionamiento de la tolva . . . . . 14 3.2.4. Determinación de cargas en la tolva . . . . . 16 3.2.5. Espesor de la pared de la tolva . . . . . 17 3.3. Sistema de dosificación . . . . . 17 3.3.1. Dimensionamiento del tornillo . . . . . 18 3.3.2. Capacidad del tornillo . . . . . 19 3.3.3. Potencia de accionamiento . . . . . 21 3.3.4. Análisis del eje por torsión . . . . . 22 3.4. Sistema de mezcla . . . . . 23 3.4.1. Selección del sistema de mezcla . . . . . 24 3.5. Sistema de dispersión . . . . . 25 3.5.1. Disposición del disco y palas . . . . . 25 3.5.2. Análisis de movimiento . . . . . 26 3.6. Chasis . . . . . 28 3.6.1. Análisis estático . . . . . 29 4. Prototipado . . . . . 33 4.1. Procesos de fabricación y ensamblaje . . . . . 33 4.1.1. Modelado computacional . . . . . 33 4.1.2. Impresión 3D . . . . . 33 4.1.3. Corte láser . . . . . 34 4.1.4. Termo-formado . . . . . 34 4.1.5. Mecanizado . . . . . 34 4.2. Sistema de almacenamiento . . . . . 35 4.2.1. Componentes del sistema de almacenamiento . . . . . 35 4.3. Sistema de dosificación . . . . . 36 4.3.1. Componentes del sistema de dosificación . . . . . 36 4.4. Sistema de Mezcla . . . . . 37 4.4.1. Componentes del sistema de mezcla . . . . . 38 4.5. Sistema de dispersión . . . . . 38 4.5.1. Componentes del sistema de dispersión . . . . . 39 4.6. Chasis . . . . . 39 4.6.1. Componentes del chasis . . . . . 40 4.7. Sistema de control electrónico . . . . . 41 4.7.1. Componentes del sistema electrónico . . . . . 41 5. Resultados experimentales . . . . . 43 5.1. Resultados de simulación . . . . . 43 5.1.1. Análisis estático . . . . . 43 5.2. Dosificación . . . . . 45 5.3. Mezcla . . . . . 47 5.3.1. UREA – DAP . . . . . 48 5.3.2. UREA – KCL . . . . . 48 5.3.3. KCL – DAP . . . . . 48 5.4. Dispersión . . . . . 49 5.4.1. ´Angulo de dispersión . . . . . 49 5.4.2. Distribución del fertilizante . . . . . 52 5.4.3. Mapa de dispersión . . . . . 54 6. Conclusiones y Trabajos Futuros . . . . . 58 6.1. Conclusiones . . . . . 58 6.2. Trabajos Futuros . . . . . 58 Anexos . . . . . 61 A. Diseño . . . . . 62 A.1. Análisis de fuerzas dinámicas . . . . . 62 A.2. Análisis de velocidad . . . . . 63 A.3. Sistema de control electrónico . . . . . 64 B. Funcionalidad de elementos . . . . . 65 B.1. Sistema de almacenamiento . . . . . 65 B.1.1. Aro superior y tapa . . . . . 65 B.1.2. Tolva . . . . . 65 B.1.3. Cilindro de almacenamiento . . . . . 66 B.1.4. Aro de sujeción . . . . . 66 B.2. Sistema de dosificación . . . . . 67 B.2.1. Domo y forro motor . . . . . 67 B.2.2. Soporte motor . . . . . 67 B.2.3. Tornillo helicoidal . . . . . 68 B.2.4. Ducto dosificador y soporte tornillo . . . . . 68 B.3. Sistema de mezcla . . . . . 69 B.3.1. Codo Unión - Medio – Base . . . . . 69 B.3.2. Mezcladora por gravedad . . . . . 69 B.3.3. Empaque y conducto base - final . . . . . 70 B.4. Sistema de dispersión . . . . . 71 B.4.1. Estructura de protección . . . . . 71 B.4.2. Mecanismo de rotación . . . . . 71 B.4.3. Discos - Palas – Pernos . . . . . 71 C. Caracterización del filamento PET-G . . . . . 73 D. Presupuesto . . . . . 74 E. Aspecto del prototipo . . . . . 75 F. Caracterización del prototipo . . . . . 7688 páginasapplication/pdfEspinosa Rojas, W. C., (2024). Desarrollo de un sistema mecánico de un prototipo automático para la aplicación de fertilizantes granulados al voleo en cultivos de arroz en el departamento del Tolima. [Trabajo de grado, Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/5230https://hdl.handle.net/20.500.12313/5230spaUniversidad de IbaguéIngenieríaIbaguéIngeniería MecánicaBarrientos, F. (2017). Modelo analítico para estimar la capacidad de almacenamiento para materiales compresibles en silos circulares (Tesis de licenciatura). 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