Evaluación de propiedades físico-mecánicas de tallos de caña de azúcar

Evaluation of sugarcane stems physical-mechanical properties

Autores: Rigoberto Antonio Pérez Reyes

https://orcid.org/0000-0002-9265-5535

Lázaro Antonio Daquinta Gradaille

https://orcid.org/0000-0001-7723-5324

Julio Águila Gómez

https://orcid.org/0000-0003-3577-1668

Institución: Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez, Cuba

Correo electrónico: rigobertopr@unica.cu

adaquinta@unica.cu

julio@unica.cu

PÉREZ, Rigoberto A., DAQUINTA, Lázaro A. y ÁGUILA, Julio (2023). Evaluación de propiedades físico-mecánicas de tallos de caña de azúcar. Universidad & ciencia, Vol. 12, No. 3, pp. 81-94. https://doi.org/10.5281/zenodo.11509920.

RESUMEN

En el presente trabajo se evalúan propiedades físico-mecánicas de tallos de caña de azúcar, mediante la realización de un grupo de ensayos experimentales para la determinación de los principales parámetros que caracterizan a los mismos. Se realizó la determinación del coeficiente de fricción estática sobre el acero, así como la energía requerida para el corte y el módulo de elasticidad de cinco variedades de caña de azúcar representativas de la Empresa Azucarera Ecuador. Los principales resultados muestran mayores valores del coeficiente de fricción estática para las variedades C86-156 y C93-540, destacándose que son mayores estas magnitudes en las secciones sin nudos (LSN) para todas las variedades evaluadas; las variedades C86-156 y C90-469 presentan mayor energía al corte y la variedad C90-469 poseen un mayor módulo de elasticidad en la sección del entrenudo.

Palabras clave: Caña de azúcar, Ensayos experimentales, Propiedades físico-mecánicas.

ABSTRACT

In the present work, physical-mechanical properties of sugarcane stems are evaluated, by carrying out a group of experimental tests to determine the main parameters that characterize them. The static friction on steel coefficient was determined, as well as the energy required for cutting and the elasticity modulus of sugarcane five varieties representative of Ecuador Sugar Company. The main results show higher values of the friction static coefficient for the varieties C86-156 and C93-540, highlighting that these magnitudes are higher in the sections without knots (LSN) for all the varieties evaluated; the varieties C86-156 and C90-469 have higher cutting energy and the variety C90-469 have a higher elasticity modulus in the internode section.

Keywords: Experimental tests, Physical-mechanical properties, Sugar cane.

INTRODUCCIÓN

Según el anuario estadístico de la Organización de Naciones Unidas para la agricultura y la alimentación (FAOSTAT, 2017) Latinoamérica y el Caribe constituye la principal región productora de caña de azúcar del mundo, con un promedio de 52 % de la producción (2007-2016), a su vez esta región es la principal exportadora de azúcar con un promedio de 68 % del total (2004-2013). Brasil es el mayor productor de caña de azúcar del mundo (con el 23 % de la producción mundial), siendo también el mayor exportador de azúcar con más del 50 % de las exportaciones mundiales (Marín, 2018).

En Cuba, el anuario estadístico de la Oficina Nacional de Estadística e Información (ONEI, 2020) recoge que la caña de azúcar constituye el cultivo que mayor superficie agrícola ocupa, con un fondo de tierra de 314 400 ha. En los últimos años se ha producido un decrecimiento de los rendimientos agrícolas nacionales: en el año 2007 fue de 36,1 t/ha, en el 2008 de 41,3 t/ha, en el 2009 de 34,3 t/ha, en el 2011 de 26,7 t/ha y en el 2012 de 31,2 t/ha (González, 2015). La caña de azúcar constituye la base de la agroindustria azucarera cubana, como materia prima para la obtención del azúcar como producto básico, que aún ocupa un lugar destacado en la economía nacional (Rodríguez, 2019).

González (2006) caracteriza la microestructura de los tallos de tres variedades de caña de azúcar y establece relaciones entre algunas propiedades mecánicas con las dimensiones medias de las fibras. Valdés et al. (2008) determina un conjunto de propiedades físico-mecánicas de dos variedades de caña de azúcar empleadas en Cuba como forraje para la alimentación animal. Taghijarah et al (2012) establecen magnitudes como la resistencia al corte, la energía específica de corte, la resistencia a la flexión y el módulo de Young en dos variedades seleccionadas con contenidos de humedad promedio de 76,4 y 73,8 % en base húmeda, respectivamente. Díaz e Iglesias (2014) reportan resultados de la determinación de las propiedades físico-mecánicas de los tallos de la caña de azúcar involucradas en el proceso de extracción de jugo para la fabricación de panela.

Sureshkumar y Jesudas (2015) determinaron magnitudes como el módulo de elasticidad, la energía específica de corte y el momento necesario para la elevación de los tallos hasta la vertical en condiciones de campo. Oriola et al (2017) determinan algunas propiedades mecánicas de la caña de azúcar a diferentes tamaños y cargas relevantes para el diseño y construcción de un extractor de jugo. Dongdong y Jun (2016) presentan una descripción general de la investigación realizada hasta entonces sobre las propiedades mecánicas de los tallos de los diferentes cultivos. Esta investigación se basa principalmente en la teoría mecánica del material de ingeniería e ignora el hecho de que los tallos de los diferentes cultivos son un material biológico con estructura compleja, anisotropía, viscoelasticidad y reología. Veliz et al. (2021) desarrollaron una revisión de las propiedades físico-mecánicas, relacionadas con el proceso tecnológico de corte de tallos u otros productos agrícolas, fundamentada en que estas propiedades dependen del tipo de material, su etapa de crecimiento, el contenido de humedad y el lugar de corte en la planta.

El objetivo del presente trabajo es evaluar algunas propiedades físico-mecánicas de los tallos de cinco variedades de caña de azúcar, mediante la realización de un grupo de ensayos experimentales, que permitan caracterizar los mismos y sirvan de datos de referencia durante el proceso de corte mecanizado.

MATERIALES Y MÉTODOS

La investigación se llevó a cabo en áreas de la Empresa Azucarera Ecuador del municipio Baraguá, provincia de Ciego de Ávila, una de las mayores productoras de azúcar en el territorio, donde fueron seleccionadas las cinco variedades de caña que más se cosechan en esta región. Las características identificativas de las variedades de caña estudiadas aparecen en la tabla 1.

Tabla 1. Principales características de las variedades de caña estudiadas

Nota: Tomado de “Variedades de caña de azúcar, patrimonio del Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar al servicio de la agroindustria azucarera cubana” (Jorge y Santa, 2013).

Las propiedades físico mecánicas determinadas fueron: el coeficiente de fricción estática sobre el acero en las secciones longitudinal y transversal de tallo (μ); la energía total de corte (EC); la energía específica al corte (EEC); el módulo de elasticidad (E) y el coeficiente de Poison (υ).

Metodología para la determinación del coeficiente de fricción estática sobre el acero. Se aplicaron principios de la mecánica clásica (Beer et al., 2010; Hibbeler, 2006). Se sitúa la muestra sobre un plano inclinado como se observa en la figura 1a, donde se mide el ángulo para el que la muestra comienza a deslizarse. El coeficiente de fricción estática será igual a la tangente del ángulo de inclinación del plano, expresión obtenida del análisis del equilibrio estático del sistema en el diagrama de cuerpo libre. Las magnitudes del coeficiente de fricción estática fueron determinadas en las secciones longitudinal (longitudinal con nudo LCN y longitudinal sin nudo LSN) y transversal (ST) de los tallos en las cinco variedades de caña de azúcar evaluadas.

Metodología para la realización del ensayo de energía requerida para el corte. La energía requerida para cortar los tallos se evalúa usando un péndulo Charpy modificado (ver figura 1), modelo JB 300B (RM2KD1) con martillo de 25 kg y una longitud del péndulo de 635 mm. La herramienta de impacto convencional se sustituye por una sección del segmento de corte y en cada tallo se experimenta en el nudo (N) y en el entrenudo (EN). La velocidad media de la herramienta de corte fue de 4,2 m/s. En cada variedad se llevan a cabo como mínimo diez experimentos, cinco en la zona del nudo y cinco en la zona del entrenudo.

El péndulo cae sobre la probeta y corta la caña. La diferencia entre la altura inicial del péndulo y la final tras el corte permite medir la energía absorbida en el proceso. Esta usualmente se calcula como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, lo que supone, despreciar algunas pérdidas por rozamiento. De igual modo, el péndulo Charpy utilizado ofrece la posibilidad de realizar la lectura de la energía absorbida, mediante una carátula graduada en función del tipo de martillo empleado en el ensayo. La energía específica al corte se calcula como la energía total al corte, dividida por el área de la sección transversal del tallo.

Es importante señalar que pese a las limitaciones del péndulo que no alcanza las velocidades de corte del proceso de corte mecanizado, las magnitudes obtenidas pueden ser comprobadas con las reportadas por otros autores como González, et al. (2008); Sureshkumar y Jesudas (2015), quienes han utilizado este método para la determinación de la energía al corte en caña de azúcar.

Metodología para la obtención del módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson. Estas magnitudes se alcanzan a través de un ensayo de compresión. Comúnmente se emplea una relación entre longitud y diámetro de 2 o más, aunque la relación entre altura y diámetro varía para materiales diferentes. El tamaño real depende del tipo de material, del tipo de mediciones a realizar y del aparato de ensayo disponible (Salas y De la Hoz, 2018). En esta investigación el ensayo se realizó utilizando un durómetro universal HRS-150 modificado y adaptado para aprovechar la compresión del husillo en la realización del experimento. Los datos obtenidos de este ensayo incluyen el límite elástico, el módulo de Young, el coeficiente de Poisson, la curva de esfuerzo deformación, y la resistencia a compresión.

Para garantizar la precisión y confiabilidad necesarias de los resultados experimentales se utilizó la metodología de Shirakov (1985), que permite asegurar un grado de precisión del ensayo en función del error relativo, que para trabajos científicos de investigación no debe exceder de 3 a 5 %. A partir del valor de error relativo definido (er) se determinó el tamaño de la muestra (número de réplicas n), necesario para garantizar la requerida precisión en los ensayos, mediante la ecuación (1) que involucra al coeficiente de variación (V).

$n=\frac{2\cdot {\text{100}}^2}{e_{{\text{rV}}^2}}$                                                                                                                                   (1)

Desde el punto de vista práctico para una probabilidad del 95 % se tienen los resultados del grado de precisión del ensayo en función del error relativo en la tabla 2.

Tabla 2. Grado de precisión del ensayo

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Fricción estática sobre el acero. La figura 2 representa los resultados comparativos de los valores medios del ángulo de fricción estática para cada sección de las variedades evaluadas. Aquí los mayores valores de ángulo de fricción estática se obtienen para las variedades C86-156 y C93-540; se destaca que existen mayores magnitudes del ángulo de fricción en las secciones sin nudos (LSN) para todas las variedades estudiadas. La determinación de los valores de los ángulos y los coeficientes de fricción estáticos tiene como objetivo caracterizar, desde el punto de vista físico, los tallos de las diferentes variedades de caña estudiadas, así como contar con las magnitudes necesarias a utilizar en posibles modelos numéricos del corte de la caña de azúcar.

La figura 3 representa los resultados comparativos de los valores del coeficiente de fricción estática en la sección transversal del tallo para cada variedad. Aquí el mayor valor se obtiene para la variedad C86-156 y la magnitud promedio del coeficiente de fricción estática sobre el acero en la sección transversal del tallo para las variedades estudiadas alcanza el valor de μs = 0,588, el cual está en correspondencia con los obtenidos por González et al. (2008) y Rezende (2020).

Los resultados del procesamiento estadístico de los datos obtenidos durante la determinación del coeficiente de fricción estática sobre el acero en la sección transversal de los tallos (ver tabla 3) revelan que el valor del coeficiente de variación en cada una de las variedades es inferior a 5 %, lo que garantiza un 95 % de nivel de confianza para el tamaño de muestra seleccionado. Además, las magnitudes de ambos parámetros se ajustan a una distribución normal, pues el sesgo estandarizado y la curtosis estandarizada en todas las variedades se encuentran dentro del rango esperado de -2 a +2.

Tabla 3. Resumen Estadístico del coeficiente de fricción estático en la sección transversal del tallo

Resultados del ensayo de energía requerida para el corte. Los resultados del ensayo de energía requerida para el corte se muestran en la tabla 4, donde se observa que las variedades C86-156 y C90-469 son las que presentan mayores valores de energía específica al corte, mientras que la variedad C93-540 muestra el menor valor en esta magnitud. Este comportamiento pudiera estar bajo la influencia de las magnitudes de los diámetros y los ángulos de fricción estática (μs). De igual modo se observa que los valores de la energía específica al corte para la sección del entrenudo, son ligeramente superiores a los de las secciones con nudo en todas las variedades estudiadas, lo que se corresponde con los resultados de González et al. (2008), ya que las secciones con nudos, aunque pueden tener mayor diámetro, suelen ser menos homogéneas que las secciones del entrenudo.

Tabla 4. Energía total y específica al corte en las cinco variedades de caña analizadas para los segmentos de corte BONEM

Los resultados obtenidos pueden ser comparados con trabajos previos realizados en Cuba por Valdés et al. (2008; 2009), donde se obtienen las curvas que representan la variación de la energía específica al corte durante el corte de tallos de caña de azúcar en función de la velocidad lineal de corte para tres ángulos de deslizamiento. Lo anterior se ajusta matemáticamente a un modelo exponencial, donde se observa que la energía específica consumida durante el corte de los tallos disminuye en la medida que aumenta la velocidad de corte, presentándose una tendencia asintótica a partir de magnitudes de entre 20 y 30 m/s para todos los casos experimentados (ver figura 4).

Figura 4 Variación de la energía específica durante el corte de los tallos Ae en función de la velocidad de corte Vc (Valdés et al.; 2008; 2009).

Los valores obtenidos en el ensayo del péndulo Charpy con velocidad de corte igual a 4,2 m/s están dentro del intervalo de valores en la zona de bajas velocidades del gráfico para cuatro de las cinco variedades de caña estudiadas, siendo solo inferiores para la variedad C93-540.

De igual modo, las magnitudes obtenidas de Energía total al corte (J) y Energía específica al corte (mJ/mm2) están en correspondencia con los valores obtenidos por Dongdon y Jun (2016); Gedam et al. (2015); Oriola et al. (2017) y Taghijarah et al. (2011; 2012) y difieren de los alcanzados por Hemmatian et al. (2012) y Mathanker et al. (2015) en el estudio de otras variedades, lo que corrobora la gran variabilidad en las magnitudes de los parámetros físico-mecánicos de las diferentes variedades de caña de azúcar.

Resultados del ensayo de compresión axial. Para la realización de los ensayos fue necesario calibrar el equipo a través de un sensor de fuerzas de 50 N acoplado a una computadora mediante una interface, con el objetivo de conocer las magnitudes de fuerzas aplicadas en función del desplazamiento del husillo. En la tabla 5 aparecen los valores de las magnitudes medias medidas en el ensayo de compresión axial para cada una de las variedades en las secciones con nudo (LCN) y sin nudo (LSN). Los valores obtenidos del Módulo de Elasticidad para las variedades de caña estudiadas oscilan en el intervalo de 12,71 a 24,42 MPa, los que son similares a los alcanzados por Dongdon y Jun (2016); Oriola et al. (2017) y Taghijarah et al. (2011; 2012) en la comparación de propiedades mecánicas de variedades de tallos de caña de azúcar.

Tabla 5. Magnitudes medias medidas en el ensayo de compresión axial

Nota: En esta tabla los valores de la fuerza F están calculados por la ecuación de la curva polinomial de orden dos obtenida en el gráfico de fuerza desplazamiento durante la calibración del equipo, que toma la expresión: $F=7,\text{8847}\text{.}{\mathit{\Delta L}}^2+\text{45},\text{144}\text{.}\mathit{\Delta L}-1,\text{0496}$

La experimentación y el análisis estadístico desarrollados permitieron la determinación de propiedades físicas y mecánicas de los tallos de cinco variedades de caña de azúcar y la revelación de las tendencias y regularidades de los procesos analizados. Estos resultados permiten reconocer las particularidades de cada variedad y analizar cómo influyen en el desempeño de los segmentos de corte base durante la cosecha.

CONCLUSIONES

• La magnitud promedio del coeficiente de fricción estática en las secciones longitudinales de los tallos de las cinco variedades de caña de azúcar estudiadas es de μs = 0,302, mientras que en la sección transversal alcanza el valor de μs = 0,588.

• Las mayores magnitudes de energía específica al corte en la sección del entrenudo se obtienen para las variedades C86-156 y C90-469 con valores de 50,72 y 58,28 mJ/mm2 respectivamente, mientras que en la sección del nudo son las variedades C120-71 y C90-469 las de mayores valores con magnitudes de 45,05 y 47,93 mJ/mm2.

• La mayor magnitud del módulo de elasticidad en la sección del entrenudo se obtuvo para la variedad C90-469 con un valor de 24,42 MPa y en la sección del nudo para la variedad C86-156 con un valor de 19,88 MPa.

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Conflicto de interés

Los autores no declaran conflictos de intereses.

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