Vibraciones en la agricultura

Definición y revisión

Las vibraciones son movimientos repetitivos alrededor de una posición de equilibrio, siendo la posición de equilibrio la que alcanzará el objeto cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Dentro del campo de la agricultura, el foco de mi investigación se ha centrado en dos tipos de vibraciones: (i) las vibraciones que recibe el agricultor en vehículos agrícolas, y (ii) las vibraciones que se producen los elementos rotantes de las máquinas agrícolas.

Las vibraciones que recibe el agricultor en vehículos agrícolas surgen fundamentalmente por el desplazamiento del vehículo en terrenos irregulares, como pueden ser los campos de cultivo o los caminos agrícolas. Los tractores agrícolas disponen de elementos para reducir la magnitud de estas vibraciones, como pueden ser neumáticos de baja presión o asientos, ejes delanteros y cabina con suspensión, que puede ser activa (Marsili et al. 2002; Servadio, Marsili, and Belfiore 2007). Pero a pesar de estos elementos, cuando los agricultores pasan muchas horas conduciendo maquinaria agrícola, pueden llegar a recibir dosis de vibraciones que superan las directivas europeas (DIRECTIVA 2002/44/CE del Parlamento Europeo 2002; Scarlett et al. 2005).

Los elementos rotantes producen vibraciones cuando no están equilibrados, aumentando estas vibraciones de forma lineal con el porcentaje de masa desequilibrada con respecto a la masa total que rota y con el radio de esta masa en desequilibrio, y aumentando de forma cuadrática con la velocidad de rotación. Estas vibraciones de los elementos rotantes pueden medirse y a partir de estas medidas se puede: (i) monitorizar la máquina estimando la velocidad de rotación de los elementos rotantes, y/o (ii) realizar un mantenimiento predictivo, a partir de una estimación del desgaste de la máquina estimado a partir de las vibraciones. Hasta donde llega mi conocimiento, sólo hay dos artículos en revistas científicas sobre vibraciones aplicadas a la monitorización o al mantenimiento predictivo de máquinas agrícolas, habiendo yo participado en ambos artículos (Ruiz-Gonzalez et al. 2014; Martínez-Martínez et al. 2015).

Investigación realizada

Tres artículos de revista científica han sido mis contribuciones en el área de las vibraciones en la agricultura.

El primer artículo surge de las observaciones de mi padre a lo largo de su vida como agricultor. Él tuvo muchos problemas de espalda, y por ello era más sensible a las vibraciones de los tractores. Observó que un aumento de la altura del asiento de un tractor sobre el suelo hacía que el tractorista recibiera una dosis mayor de vibraciones laterales. Me dijo muchas veces que, en su opinión, un método de aumentar el confort de los tractores sería reducir la altura sobre el nivel del terreno. Yo conduje tractores en mi vida en muchas ocasiones, y mis observaciones coincidían con las de mi padre. Un día decidí comprobar con un método científico mis observaciones, y con ayuda tanto de mi hermano, profesor de vibraciones, como de un alumno, realizamos un estudio con el tractor de la explotación de mi familia. Nuestras observaciones fueron corroboradas, y el estudio se publicó en una revista de investigación (Gomez-Gil, Gomez-Gil, and Martin-De-Leon 2014). La Figura 1 muestra imágenes representativas de este estudio.

Figura 1:  Imágenes representativas de un estudio realizado sobre la influencia de la altura del asiento en las vibraciones laterales que recibe el tractorista. (a) Fotografía del tractor empleado en las pruebas, en la que se han instalado acelerómetros de tres ejes a diferentes alturas. (b) Esquema del hardware y conexiones instalado en el tractor para realizar las medidas.

La colaboración en el anterior artículo con mi hermano, Javier Gómez Gil, profesor de vibraciones en la Universidad de Burgos, propició otra nueva colaboración. En esta nueva colaboración, a propuesta suya, realizamos un estudio para detectar, a partir de vibraciones, el estado de elementos rotantes de una máquina cosechadora. Instalamos un acelerómetro de tres ejes en el chasis de la cosechadora de la explotación de mi familia, y realizamos medidas de vibraciones en cinco estados diferentes de funcionamiento de la máquina. Posteriormente, realizamos dos estudios para predecir, a partir de las medidas de vibraciones el estado de la máquina. En el primer estudio trabajó activamente el alumno de doctorado Rubén Ruiz González, y se obtuvieron un porcentaje de aciertos elevado empleando Máquinas Vector Soporte (SVM, del inglés Support Vector Machines) (Ruiz-Gonzalez et al. 2014). En el segundo estudio trabajó activamente el alumno de doctorado Víctor Martínez Martínez, y empleando Redes Neuronales Artificiales (ANN, del inglés Artificial Neural Networks) y Algoritmos Genéticos (GA, del inglés Genetic Algorithms) también obtuvo porcentaje elevado de aciertos (Martínez-Martínez et al. 2015). La Figura 2 muestra imágenes representativas sobre la localización del punto de medida y de los elementos rotantes estimados, y sobre el hardware instalado, todo ello válido para ambos estudios.

Figura 2:  Imágenes representativas de un estudio realizado para detectar el estado de elementos rotantes a partir de vibraciones. (a) Imagen esquemática de la cosechadora, donde el símbolo de color rojo representa la posición donde se colocó el acelerómetro, y las aspas representan elementos rotantes cuyo estado se estimó a partir de vibraciones. Estos elementos rotantes fueron el cilindro desgranador, el motor, y el picador de paja. (b) Izquierda: Fotografía del hardware empleado en las mediciones. Derecha: ampliación de la fotografía de la izquierda, en la que se muestra el acelerómetro adherido al chasis de la cosechadora.