Año 13, Número 2. Enero - Abril, 2026 
Por: Gabriel Ángel Ramírez Vicente, Ronaldo Aburto Gutiérrez y Alfredo Carrasco Araoz / Ver en pantalla completa
El presente trabajo se centra en el diseño de un mecanismo recolector de vainas de chícharo para su implementación en cultivos a cielo abierto, el cual busca mejorar las condiciones de trabajo en el proceso de cosecha, así como, la calidad de las vainas de chícharo. El desarrollo de este proyecto se basa en la metodología VDI 2221, la cual propone un enfoque sistemático y organizado, para el desarrollo de productos. El alcance de esta etapa del proyecto solo contempla el diseño mecánico y el análisis estructural de los componentes críticos para su validación previa a su fabricación y montaje.
Palabras clave: mecanismo, análisis mecánico, cosecha de chícharo.
The present work focuses on the design of a pea pod collecting mechanism for implementation in open-field crops, which seeks to improve working conditions in the harvest process, as well as the quality of pea pods. The development of this project is based on the VDI 2221 methodology which proposes a systematic and organized approach to product development. The scope of this stage of the project only includes the mechanical design and structural analysis of the critical components for their validation prior to their manufacturing and assembly.
Keywords: mechanism, mechanical analysis, pea harvest.
Las máquinas agrícolas han desempeñado un papel crucial en la modernización de la agricultura, facilitando la mecanización de procesos manuales y mejorando la eficiencia en la recolección de cultivos. Desde la invención de las primeras herramientas mecanizadas, la agricultura ha experimentado avances significativos, especialmente en la cosecha de productos delicados como las leguminosas, que requieren cuidados especiales para evitar el daño a las vainas.
Tradicionalmente, la recolección de vainas de leguminosas ha sido un proceso manual que requiere mucha mano de obra. Esto es especialmente cierto para aquellas variedades donde es importante preservar la integridad de la vaina para evitar pérdidas en la calidad del producto. La cosecha manual implica costos elevados, dependencia de la disponibilidad de trabajadores y trabajadoras, y puede estar sujeta a fluctuaciones en el mercado laboral y condiciones climáticas adversas, lo que reduce la eficiencia del proceso.
En respuesta a esta necesidad, se han desarrollado máquinas cosechadoras específicas para diferentes tipos de cultivos. Sin embargo, la recolección eficiente de leguminosas requiere características técnicas específicas, como un sistema que permita separar cuidadosamente las vainas del tallo sin dañarlas y una capacidad de ajuste para trabajar con diferentes condiciones del terreno y del cultivo.
Aunque estas máquinas han mejorado la recolección de leguminosas, aún persisten problemas relacionados con la eficiencia, la capacidad de adaptación a diferentes especies y la preservación de la integridad de las vainas durante la cosecha. La demanda de soluciones innovadoras que combinen versatilidad, delicadeza y eficiencia sigue siendo alta en el sector agrícola. Esto abre la oportunidad para nuevas invenciones que optimicen el proceso de cosecha, tanto en términos de ahorro de tiempo y costo, como en la calidad del producto cosechado.
Diseñar y simular un mecanismo recolector de vainas de chícharo con el fin de optimizar el proceso de cosecha agrícola.
En México, cerca del 59 % de las familias enfrenta algún grado de inseguridad alimentaria, entendida como la falta de acceso tanto físico como económico a alimentos seguros y nutritivos suficientes para cubrir sus necesidades y mantener una vida activa y saludable1. No obstante, durante la pandemia de COVID-19, se observó una relación entre la pobreza y el deterioro de la seguridad alimentaria: para el 2020, se calculó que el 22.5 % de la población no contaba con acceso a una dieta nutritiva y de calidad, mientras que el 8.5 % vivía en pobreza extrema, de acuerdo con datos del Coneval2. Además, en 2019 la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) reportó que la pobreza en las zonas rurales seguía siendo considerablemente más alta que en las áreas urbanas. En 2016, seis de cada diez personas que vivían en áreas rurales eran consideradas pobres, mientras que en las zonas urbanas solo cuatro de cada diez personas3. La FAO también resalta que un factor esencial para garantizar la seguridad alimentaria es tener acceso y control sobre los recursos de producción, como la tierra, el agua, los insumos, la tecnología, el conocimiento y los alimentos disponibles en los mercados3.
La ausencia de tecnología en el sector agrícola en México afecta negativamente el crecimiento económico de las comunidades rurales, esto provoca que la cosecha sea realizada de manera manual, lo cual resulta ineficiente y oneroso, incrementando los costos de producción y reduciendo las ganancias para las y los agricultores. Además, la carencia de maquinaria adecuada limita tanto la expansión como la competitividad de las actividades agrícolas en estas áreas, lo que se traduce en una menor generación de empleo e ingresos. Esta situación no solo reduce la rentabilidad de las y los productores, sino que también perpetúa el ciclo de pobreza, al obstaculizar el acceso a oportunidades económicas y la mejora de la calidad de vida de las personas que habitan en zonas rurales. Por ello, es fundamental abordar la falta de tecnología para fomentar un desarrollo económico equitativo y sostenible en las comunidades rurales de México.
La planta de chícharo posee un sistema radicular poco desarrollado, aunque tiene una raíz pivotante que puede llegar hasta los 50 cm, las raíces secundarias pueden formar una cobertura densa. En los pelos radicales se encuentran los rizobios que forman los nódulos que se encargan de fijar el nitrógeno atmosférico en el suelo. La planta desarrolla un eje central primario y muchos tallos secundarios que nacen del nudo cotiledonar o superiores. Los tallos son redondos, huecos y débiles; tienen ramas de diferente tamaño, llegan a tener alturas de hasta un metro y son de color verde (Figura 1).
El crecimiento del tallo inicialmente es erecto y va postrándose poco después de la floración y crecimiento del follaje. Las hojas están constituidas por dos foliolos que abrazan el tallo en la parte basal. Son opuestos lanceolados o alternos, y en la parte terminal se encuentran zarcillos ramificados y prensiles que tienen la propiedad de asirse a los tutores que encuentran en su desarrollo. La base de los foliolos es dentada y las hojas son paripinnadas.
Figura 1. Planta de chícharo en cultivo por surcos4
Las inflorescencias son racimos axilares que se agrupan de una a tres flores, generalmente blancas, pero pueden variar de color hasta el púrpura.
Los frutos son vainas de cinco a diez centímetros de largo y de uno a dos centímetros de ancho. Dentro de la misma se encuentran de cuatro a diez semillas ubicadas de forma alternada en las valvas a lo largo de la sutura placental. Las semillas son de tamaño y color variable, casi siempre lisas y esféricas de tres a ocho milímetros de diámetro, de color verde o amarillas, según la variedad5.
El Instituto de Investigación y Capacitación Agropecuaria, Acuícola y Forestal recomienda surcos de 60 a 80 cm de ancho, donde se colocan 16 a 18 semillas por metro lineal en ambos bordes (Figura 1). Las semillas brotan en aproximadamente una semana, dependiendo de la variedad y las condiciones ambientales. La germinación se observa entre los siete y diez días, con la aparición de dos cotiledones que nutren a las plántulas. Entre siete y quince días después del trasplante, se sugiere instalar un tutor para apoyar el crecimiento y mejorar la captación de luz solar. La cosecha comienza cerca de los 85 días posteriores a la siembra, aunque esto varía según el clima y la variedad. La recolección de vainas tiernas debe hacerse cada cuatro o cinco días, seleccionando las vainas completas y jugosas. Las semillas se recolectan cuando las vainas están secas y las plantas han adquirido un tono amarillento6.
Una cosechadora contemporánea, también conocida simplemente como cosechadora, es un equipo multifuncional desarrollado para recolectar de forma eficaz diversos cultivos en el campo. Su función principal es obtener productos limpios, los cuales suelen ser almacenados temporalmente en el depósito de la máquina y luego descargados periódicamente para su transporte, procesamiento o almacenamiento adicional.
La cosechadora integra varias operaciones tecnológicas, como el corte y recolección de las plantas, la trilla y separación de la planta del cultivo, así como la limpieza y recogida del cultivo en el tanque de la cosechadora.
Los procesos de corte y recolección de las plantas se llevan a cabo mediante cabezales de corte, también conocidos como cabezales o segadoras, los cuales están diseñados para cultivos específicos, tecnologías de cosecha o ambos. Estos cabezales se montan en la parte delantera de la cosechadora, generalmente en una disposición simétrica con respecto al ancho de la máquina7. Los tipos principales de cabezales incluyen el estándar (o plataforma), el de cortina, el cabezal para maíz, el separador (utilizado para el arroz), el cabezal para girasol y el cabezal de recogida desde la parte superior (para los frijoles)8.
Para el desarrollo del proyecto se utilizó la metodología VDI 2221, que corresponde a las siglas de Verein Deutscher Ingenieure(Asociación de Ingenieros Alemanes), la cual es una guía para el diseño de productos técnicos, reconocida internacionalmente, y ofrece un enfoque sistemático y organizado para el desarrollo de productos9; esta fue adaptada a las necesidades y alcances del proyecto.
El diseño de la cosechadora de chícharos comenzó con el análisis del estado del arte, donde se recopiló información clave y detallada para desarrollar el producto, así como la definición del área de trabajo del dispositivo, aspecto en el que se determinó:
a) Espaciado de las hileras:
b) Distribución de la semilla:
En esta etapa se identificaron las funciones y características de la cosechadora, las cuales se limitaron en;
A partir de la identificación de limitantes, se implementó el concepto de caja negra para identificar los elementos de señales, energía y materia dentro de los componentes del sistema de entrada y salida, para lo cual se estableció el diagrama de la Figura 2.
Figura 2. Caja negra de la cosechadora de chícharo (elaboración propia)
a) Entradas:
b) Salidas:
En la Figura 3 se presenta de manera esquemática la secuencia de operaciones de la máquina.
Figura 3. Diagrama de secuencia de operaciones (elaboración propia).
Esta etapa se realizó por medio de lluvia de ideas de las posibles soluciones para cada operación planteada, para ello se consideraron: mecanismos, sistemas de transmisión de potencia, métodos de ensamble, entre otros elementos. Es en esta sección donde se determinan las técnicas con mayor índice de adaptabilidad y que proporcionen mejor armonía en el desarrollo de la solución.
En esta etapa se realizó el diseño de los módulos que componen la máquina y se seleccionaron los componentes estructurales normalizados, priorizando aquellos disponibles y de fácil acceso en el mercado. Posteriormente, dichos elementos fueron validados mediante análisis estructurales de esfuerzos para comprobar su desempeño mecánico. Por motivos de extensión, las operaciones matemáticas empleadas en los cálculos no se incluyen en este documento; sin embargo, fueron consideradas en el desarrollo del análisis y sustentan los resultados obtenidos en las simulaciones presentadas.
El diseño se fundamenta en los módulos:
En esta etapa se analizó de manera matemática y por simulación por computadora el comportamiento de los ejes de transmisión críticos para el funcionamiento del dispositivo; en la Figura 4 se visualizan las simulaciones de cortantes y momentos realizados en el eje del molinete, de igual forma se realizaron estudios a los ejes de transmisión de potencia.
Figura 4. Simulación del eje del molinete. a) Cortantes del eje x. b) Momentos en el eje x. c) Cortantes en el eje y. d) Momentos en el eje y. Fuente: elaboración propia
Se compone principalmente por un molinete constituido por diez filas de 18 ganchos con una separación de cinco cm, siendo estos los encargados de sujetar las vainas de la planta y realizar su separación. Estas diez filas se ubican de manera radial sobre discos de soporte; en la Figura 5 se puede apreciar el molinete de recolección.
Figura 5. Molinete de recolección (elaboración propia)
Para el desarrollo del molinete se realizó el análisis mecánico del eje rotacional, siendo este el elemento que se encuentra a mayor concentración de esfuerzo debido a las cargas axiales que posee. El análisis mecánico se realizó de manera algebraica y por medio de simulación con la herramienta SolidWorks.
Se desarrolló una banda transportadora para la traslación y elevación de las vainas de chícharo para su embalaje, dicha banda presenta dos secciones: la inicial, en la cual la vaina de chícharo con residuos de rastrojo pasará por una etapa de separación; y la final, que presenta una inclinación de 25° para generar la elevación adecuada a fin de facilitar la recolección a la salida de la máquina; en esta sección son colocadas nervaduras para aumentar la fricción entre los elementos transportados y la banda, con la finalidad de reducir el deslizamiento de estos debido a la inclinación. En la Figura 6 se puede visualizar el sistema de transporte.
Figura 6. Sistema de transporte de material de salida (elaboración propia)
El módulo de separación de residuos se constituye principalmente por una turbina extractora de diez alabes distribuidos de manera uniforme a lo largo del contorno de la turbina. La distancia entre cada una es de 5.5 cm, así mismo cuenta con un ancho de 12 cm, esto con el fin de permitir el pase de los residuos succionados de la planta y que no ocurran obstrucciones. Dicha turbina se compone por un ducto de entrada de aire, por el cual será arrastrado el residuo, ya que esta genera un efecto de vacío con una presión suficiente para arrastrar hojas y tallos, pero no a las vainas de chícharo. En la Figura 7 se observa el sistema de extracción.
Figura 7 Módulo de separación de residuos (elaboración propia)
La estructura corresponde al chasís sobre el cual estarán los módulos anteriores, para esta se seleccionaron perfiles PTR de 30 x 30 x 2 mm para su fabricación. Tiene unas dimensiones de 85 cm x 225 cm x 30 cm (véase la Figura 8). Sobre esta estructura se ensamblarán los distintos módulos diseñados. Con el objetivo de proporcionar una estructura maniobrable y de fácil mantenimiento, se decidió fijar los componentes mediante tornillería normalizada DIN (Deutsches Institut für Normung) M6×40 y M8×45 para la sujeción de los reductores. Esta selección garantiza la resistencia mecánica adecuada y la disponibilidad comercial de los elementos empleados.
Una vez desarrollados los módulos que componen la máquina se prosiguió al ensamblaje de todos los componentes para el análisis visual del dispositivo, así como para realizar los ajustes pertinentes antes de su fabricación. En la Figura 8 se puede visualizar la conjunción total de los módulos desarrollados y se observa la secuencia de operaciones de la cosechadora. El proceso de recolección consiste en desplazar el recolector de manera lineal en dirección a las hileras de cultivos. El molinete gira, haciendo una vista frontal de la cosechadora, en sentido contrario a las manecillas del reloj. Los ganchos realizan una acción de cepillado sobre las vainas, buscando desprender las vainas de chícharo de la planta. Las vainas, junto con algunos restos de la planta, podrán ser introducidas en la zona horizontal de la banda transportadora. Los restos de la planta serán extraídos mediante la turbina extractora, y las vainas serán depositadas en la parte trasera de la cosechadora, donde se encuentra un área destinada al almacenamiento, que puede colocar rejas o cajas para la recolección del cultivo.
Figura 8. Ensamblaje final de la cosechadora de chícharo (elaboración propia)
Dentro de los resultados en las simulaciones de esfuerzo-deformación realizados a los componentes críticos del sistema, se tiene que la estructura presenta un desplazamiento máximo de 0.218 mm en la zona de instalación de la banda transportadora, provocado por su masa. En esta área también se concentra el peso de otros módulos, como el de separación, que incluye el extractor y los reductores responsables de mover el molinete recolector y la turbina. La Figura 9 muestra una escala de colores que indica las zonas donde la estructura experimenta deformaciones debido al peso de estos módulos. A un costado de la estructura, se observa la escala de las unidades resultantes de desplazamiento (URES), medidas en milímetros. En general, se aprecia que la estructura presenta deformaciones por debajo de criterios habituales de servicio para bastidores de maquinaria (por ejemplo, L/500 = 4.5 mm para una longitud de 225 cm), lo cual refuerza la aceptabilidad de las deformaciones encontradas en las simulaciones.
Figura 9. Análisis de deformación de sistema estructural (elaboración propia)
En la Figura 10 se observa que el elemento estructural analizado mediante el método de elementos finitos presenta un factor de seguridad confiable. Además, el mecanismo no está sometido a cargas que comprometan su integridad estructural. La escala de colores muestra que el factor de seguridad (FDS) no alcanza valores críticos que puedan afectar el funcionamiento, manteniéndose por encima de 3, lo que implica que la estructura analizada puede soportar hasta tres veces la carga máxima esperada antes de fallar.
Figura 10. Análisis por elemento finito al sistema estructural (elaboración propia)
Así mismo se realizó un análisis de fluidos en la turbina con diferentes velocidades de giro. En la Figura 11 se presentan iteraciones a diferentes revoluciones: a 500 rpm cuenta con velocidades de 8.895 m/s en el interior de la turbina y una velocidad de extracción que va desde los 0.988 m/s hasta los 2.965 m/s; a 550 rpm cuenta con velocidades de 9.785 m/s en el interior de la turbina y una velocidad de extracción que va desde los 1.087 m/s hasta los 3.262 m/s; y a 600 rpm cuenta con velocidades de 10.672 m/s en el interior de la turbina y una velocidad de extracción que va desde los 1.186 m/s hasta los 3.372 m/s. Este comportamiento indica una mejora progresiva en la capacidad de succión y transporte del fluido, manteniendo una distribución uniforme del flujo, lo cual valida el diseño geométrico del impulsor.
Figura 11. Análisis de fluidos de turbina extractora a diferentes RPM (elaboración propia)
En el transcurso de esta investigación surgieron ciertos aspectos que no se abordaron por completo, los cuales podrían ser de gran valor para proyectos de investigación donde se desee utilizar este estudio como base para perfeccionarlo. A continuación, se proponen algunas líneas de investigación futura:
Tras llevar a cabo un exhaustivo proceso de diseño y análisis, así como la investigación de los requerimientos técnicos necesarios para el desarrollo del mecanismo recolector de vainas de chícharo, se han obtenido importantes conclusiones que resaltan la viabilidad y eficacia del proyecto.
La investigación de los requerimientos técnicos reveló la necesidad de diseñar un sistema multifuncional que abordara diversas etapas del proceso de recolección de vainas de leguminosas. Se logró satisfacer estas necesidades mediante el diseño de un sistema de corte preciso que arranca las vainas sin dañarlas, un sistema de transporte eficiente que dirige el cultivo hacia el área de almacenamiento y un sistema de extracción de residuos que separa la hojarasca de la cosecha de manera efectiva.
Se diseñó un sistema de transmisión de potencia mecánica utilizando un diferencial compuesto por engranajes cónicos, así como un sistema de poleas para controlar las rpm especificadas. Estos componentes permiten una transmisión eficiente de la potencia, garantizando un funcionamiento suave y confiable del mecanismo recolector.
En la simulación se obtuvo el factor de seguridad y el desplazamiento de componentes clave, como el eje del molinete de recogida, un eje de transmisión de potencia y los soportes de la banda transportadora, confirmando que estos cuentan con una resistencia óptima bajo las condiciones operativas. Además, se realizó un análisis de fluidos en la turbina extractora de tipo centrífuga, lo que permitió observar el comportamiento del aire en términos de dirección y velocidad, pudiendo observar su adecuado funcionamiento en términos de extracción. Cabe mencionar que, al ser solo una etapa de diseño, se corre el riesgo de que el comportamiento en físico sea diferente al de las simulaciones.
1. RODRÍGUEZ-RAMÍREZ, Sonia; Gaona-Pineda, Elsa Berenice; Martínez-Tapia, Brenda; Romero-Martínez, Martín; Mundo-Rosas, Verónica y Shamah-Levy, Teresa. Inseguridad alimentaria y percepción de cambios en la alimentación en hogares mexicanos durante el confinamiento por la pandemia de Covid-19. Salud Pública de México. [En línea]. Vol. 63 (6), p. 763–772. Nov–dic. 2021. [Fecha de consulta: 07 de noviembre de 2024]. DOI: https://doi.org/10.21149/12790 ISSN: 1606-7916.
2. CONEVAL. Medición de la pobreza. Pobreza en México. Resultados de pobreza en México 2020 a nivel nacional y por entidades federativas. [En línea]. 2021. [Fecha de consulta: 12 de noviembre de 2024]. Disponible en: https://www.coneval.org.mx/Medicion/MP/Paginas/Pobreza_2020.aspx
3. FAO. El sistema alimentario en México: oportunidades para el campo mexicano en la Agenda 2030 de Desarrollo Sostenible. [En línea]. Ciudad de México: FAO, 2019. [Fecha de consulta: 12 de noviembre de 2024]. Disponible en https://openknowledge.fao.org/server/api/core/bitstreams/0c41184e-c56b-49ca-ad9d-dc42d052a433/content
4. LÓPEZ, Mario y Guadarrama, Ma. Eugenia. Tecnología de producción para el cultivo de chícharo. [En línea]. 2016. [Fecha de consulta: 12 de noviembre de 2024]. Disponible en https://icamex.edomex.gob.mx/sites/icamex.edomex.gob.mx/files/files/publicaciones/2016/CUltivo%20de%20chicharo%202016.pdf
5. FAO. Nuestras legumbres: pequeñas semillas, grandes soluciones. [En línea]. Ciudad de Panamá: FAO. 292 pp. 2018. [Fecha de consulta: 12 de noviembre de 2024]. Disponible en https://openknowledge.fao.org/server/api/core/bitstreams/0c41184e-c56b-49ca-ad9d-dc42d052a433/content
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7. MIU, Petre I. Combine Harvesters: Theory, Modeling, and Design. CRC Press, 2015. ISBN: ISBN 9781466505124.
8. CLAAS. Cabezales – cosechadora | CLAAS. 2020. Disponible en https://www.claas.com/es-es?subject=D10030100_es_ES
9. ARIAS, Khaterine; Sánchez, Michael; Betancourt, Fernando José; Leguizamón, Gabriela; García, Rafael Guillermo y Mendoza, Diego. Estudio de las actividades relevantes en el diseño de productos: modelo VDI 2221 frente al modelo metodológico I+P+D³. Revista Espacios. [En línea]. Vol. 39 (9). 2018. [Fecha de consulta: 12 de noviembre de 2024]. Disponible en https://revistaespacios.com/a18v39n09/18390922.html ISSN: 2739-0071.
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