UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM MODELAGEM
MATEMÁTICA
Mestrado em Modelagem Matemática
Ronei Osvaldo Ziech
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DE UM SISTEMA
DOSADOR DE ADUBO À TAXA VARIÁVEL COM ACIONAMENTO
HIDRÁULICO
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DE UM SISTEMA
DOSADOR DE ADUBO À TAXA VARIÁVEL COM ACIONAMENTO
HIDRÁULICO
Dissertação de Mestrado apresentada à Unijuí como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Modelagem Matemática.
Orientador: Antonio Carlos Valdiero, Dr. Eng. Co-Orientador: José Antonio Gonzalez da Silva, Dr. Agr.
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS – DCEEng
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM MODELAGEM MATEMÁTICA
MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DE UM SISTEMA
DOSADOR DE ADUBO À TAXA VARIÁVEL COM ACIONAMENTO
HIDRÁULICO
Elaborada por: Ronei Osvaldo Ziech
Como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Modelagem Matemática
Comissão Examinadora
_____________________________________________________
Prof. Dr. Eng. Antonio Carlos Valdiero (Orientador) – DCEEng/Unijuí
_____________________________________________________
Prof. Dr. Agr. José Antonio Gonzalez da Silva (Co-orientador) – DEAg/Unijuí
_____________________________________________________
Prof. Dr. Eng. Leonardo Nabaes Romano – DEM/UFSM
_____________________________________________________ Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia – DCEEng/Unijuí
À minha Mãe que sempre incentivou nos momentos difíceis.
À minha noiva, essa pessoa maravilhosa a quem devo tudo, em especial pela compreensão, apoio, convívio e incentivo constante.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a DEUS, pela vida e pela força presente para persistir e nunca desistir, pelos momentos felizes e por ter me iluminado em todos os períodos difíceis de minha vida.
A minha mãe Marlice, que me ensinou a ser forte, que me ensinou a nunca abaixar a cabeça e sempre lutar. A ver o mundo com generosidade e humildade, que me ensinou a buscar a sabedoria.
A minha noiva Rafaela pelo amor e confiança depositada em mim. Como é bom ter a sua companhia!
Aos demais amigos e familiares que sempre estiveram presentes nos melhores e piores momentos, contribuindo para minha vida. Obrigado de coração!
Ao colega e amigo Mauricio pela companhia no percurso acadêmico, compartilhando preocupações, aflições e muito trabalho. Quantas descobertas e conquistas durante esta caminhada!
Ao meu orientador Prof. Dr. Antonio Carlos Valdiero, pelos ensinamentos, orientação, dedicação, compreensão e paciência nesta caminhada. Grande amigo e profissional!
Aos professores e colegas do Mestrado e Doutorado, em especial Vania, Roberta, Marcia, Francisco e Paulo por terem propiciado a oportunidade de trocarmos experiências e auxiliar no crescimento profissional e pessoal.
Ao casal Edeltraud e Elmar pelo acolhimento nestes anos em Panambi. Agradeço pelo carinho e companhia recebido na casa de vocês.
À CNPq pelo apoio financeiro concedido na forma de bolsa e à Unijuí pela estrutura humana e recursos para a realização desta pesquisa, em especial ao Ivan, pela disposição e ajuda no laboratório e aos demais bolsistas do campus Panambi.
À secretária, colegas e professores do mestrado e doutorado, bem como os professores e colegas da graduação, aos quais sou grato pela graça da amizade e constância da presença, estimulando e incentivando, contribuindo com a nossa formação humana e profissional.
“A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original.” Albert Einstein
Trata-se do estudo da dinâmica de um sistema dosador de adubo para semeadora-adubadora. Com este trabalho desenvolve-se um modelo matemático capaz de descrever o comportamento de um sistema de controle para adubação a taxa variável acionado hidraulicamente, voltado para aplicações na agricultura de precisão. Utilizando-se um modelo de dosador comercial de fertilizantes do tipo helicoidal por transbordo, que é muito comum nos equipamentos convencionais de adubação. A modelagem matemática é realizada por meio da técnica da caixa branca, que se baseia na utilização de princípios físicos para formulação do modelo. Após a formulação matemática e definição do modelo, utiliza-se uma bancada instrumentalizada de testes equipada com sensores de pressão e de deslocamento angular para aquisição de dados experimentais e ajuste dos parâmetros utilizados na modelagem matemática. O sistema de aquisição de sinais e controle é composto por uma placa dSPACE 1104 montada em um microcomputador. A partir dos dados experimentais, realizaram-se simulações computacionais para validar o modelo matemático de controle de adubação à taxa variável. Os resultados demonstram boa acurácia do modelo descrito, diante do controle preciso da velocidade angular, atendendo os objetivos propostos. Essa pesquisa tem o propósito de contribuir com a mecanização da agricultura de precisão de baixo custo e auxiliar no desenvolvimento de inovações tecnológicas que possibilitem produções limpas e sustentáveis.
Palavras-chave: Agricultura de precisão; Adubação à taxa variável; Acionamento hidráulico; Modelagem Matemática.
This is the study of the dynamics of a fertilizer metering system for sowing-fertilizer. This work develops a mathematical model capable of describing the behavior of a control system for hydraulically driven variable rate fertilization, aimed at applications in precision agriculture. By using a commercial fertilizer dosing model of the helical type by transshipment, which is very common in conventional fertilization equipment. Mathematical modeling is performed using the white box technique, which is based on the use of physical principles for model formulation. After the mathematical formulation and definition of the model, an instrumental zed test bench equipped with pressure and angular displacement sensors is used to acquire experimental data and adjust the parameters used in mathematical modeling. The signal acquisition and control system consists of a dSPACE 1104 board mounted on a microcomputer. From the experimental data, computational simulations were performed to validate the mathematical model of control of fertilization at the variable rate. The results demonstrate good accuracy of the described model, given the precise control of the angular velocity, meeting the proposed objectives. This research aims to contribute to the mechanization of low cost precision agriculture and help in the development of technological innovations that enable clean and sustainable production.
Key-Words: Precision farming; Fertilization variable rate; Hydraulic actuation; Mathematical modeling.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Fotografia de um trator e semeadora-adubadora em trabalho de campo18
Figura 2- Diagrama esquemático da agricultura de precisão ... 23
Figura 3 – Exemplo de mapas de produtividade ... 26
Figura 4 – Exemplo de mapas de fertilidade ... 27
Figura 5 - Esquema de sensoriamento e controle de uma semeadora-adubadora a taxa variável ... 32
Figura 6 – Desenho da bancada experimental de testes ... 33
Figura 7 – Componentes da bancada dosadora de adubo à taxa variável ... 34
Figura 8 – Dosador de adubo Fertisystem... 35
Figura 9 – Exemplo dos passos de helicoides dosadores de adubo, (a) , (b) e (c) de passo ... 36
Figura 10 - Circuito hidráulico da bancada de testes representada de acordo com a norma ISO 1219 ... 37
Figura 11 – Circuito hidráulico proposto da bancada instrumentalizada representada de acordo com a norma ISO 1219 ... 38
Figura 12 – Descrição dos componentes do sistema de acionamento ... 39
Figura 13 – Desenho da bancada instrumentalizada com a transmissão por correia ... 40
Figura 14 – Motor hidrostático ... 42
Figura 15 - Válvula hidráulica de controle direcional de 4 vias e 3 posições, centro fechado, centrada por molas e acionada por solenoides... 43
Figura 16 – Fotografia da Unidade de Potência e Condicionamento Hidráulico (UPCH) ... 43
Figura 17 - Sistema de controle da bancada instrumentalizada ... 44
Figura 18 – Representação de funcionamento de um encoder ... 45
Figura 19 – Transdutor de pressão eletrônico com saída analógica integrada ... 47
Figura 20 – Equipamentos utilizados na bancada instrumentalizada para testes .... 48
Figura 21 - Fonte geradora de tensão ... 48
Figura 22 - Fonte geradora de tensão HP 24 VDC ... 49
Figura 23 – Ligações e chave eletrônica... 49
Figura 27 - Desenho esquemático para a modelagem do sistema de adubação à
taxa variável com acionamento hidráulico ... 55
Figura 28 - Desenho do dosador helicoidal de fertilizantes por transbordo da marca FertiSystem e seu diagrama de corpo livre ... 56
Figura 29 – Gráfico com a combinação das características do atrito em regime permanente ... 60
Figura 30 – Sistema de controle em malha aberta... 62
Figura 31 – Realização dos testes experimentais ... 64
Figura 32 – Inclinação longitudinal e reservatório de adubo completo ... 65
Figura 33 – Gráfico para a captura do coeficiente angular ... 66
Figura 34 – Gráfico comparativo do comportamento do atrito em regime permanente ... 70
Figura 35 – Gráficos com os ajustes do atrito: (a) VAZIO, (b) CHEIO... 71
Figura 36 – Eixo do dosador de adubo e polia de acionamento para a determinação do momento de inércia ... 73
Figura 37 – Determinação do momento de inércia ... 74
Figura 38 – A: procedimento para mensuração da velocidade angular; B: Tacômetro foto/contato digital ... 75
Figura 39 - Gráfico do deslocamento angular no eixo de acionamento da adubadora ... 76
Figura 40 – Gráfico do monitoramento da pressão de carga do motor hidráulico .... 77
Figura 41 – Diagrama de blocos do modelo matemático da dinâmica de um sistema dosador de adubo à taxa variável com acionamento hidráulico ... 79
Figura 42 – Diagrama de Blocos do Modelo de Atrito Dinâmico ... 80
Figura 43 – Gráfico do deslocamento angular para validação do Modelo Matemático utilizando os dados experimentais do teste 1 ... 81
Figura 44 – Gráfico da velocidade angular no eixo da dosadora para validação do Modelo Matemático utilizando os dados experimentais do teste 1 ... 82
Figura 45 - Gráfico do deslocamento angular para validação do Modelo Matemático utilizando os dados experimentais do teste 4 ... 83
Figura 46 - Gráfico da velocidade angular no eixo da dosadora para validação do Modelo Matemático utilizando os dados experimentais do teste 4 ... 84
Figura 48 - Gráfico da velocidade angular no eixo da dosadora para validação do Modelo Matemático utilizando os dados experimentais do teste 13 ... 85
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Detalhamento das semeadoras-adubadoras comercializadas no mercado
nacional ... 28
Tabela 2 - Lista de materiais ... 41
Tabela 3 – Especificações técnicas do motor hidrostático ... 42
Tabela 4. Especificações técnicas do encoder incremental... 45
Tabela 5 – Especificações técnicas do transdutor de pressão eletrônico ... 46
Tabela 6 - Descrição dos Parâmetros e Variáveis Utilizados na Modelagem Matemática... 59
Tabela 7 – Valores da relação entre tempo e quantidade de adubo dosada e da constante de vazão mássica ... 66
Tabela 8 – Dados Experimentais em regime permanente ... 68
Tabela 9 – Parâmetros utilizado no mapa de atrito estático ... 69
Tabela 10 – Parâmetros característicos do modelo de atrito ... 71
LISTA DE SÍMBOLOS
Letras Gregas
Ângulo de deslocamento angular no motor
Deslocamento angular na dosadora
̇ Velocidade no eixo
̈ Aceleração angular
Velocidade angular
Velocidade angular no eixo do motor Velocidade angular no eixo da dosadora
Velocidade angular em regime permanente
̇ Aceleração angular (rotação)
Velocidade de stribeck
Coeficiente de amortecimento viscoco
Letras Latinas
Coeficiente de atrito viscos
Constante de vazão mássica
Deslocamento volumétrico
Momento de inércia
Pressão de carga
Potência hidráulica
Potência hidráulica em regime permanente
Quantidade de adubo dosada
Vazão volumétrica
Vazão volumétrica em regime permanente
Torque no eixo da dosadora
Torque de atrito
Torque de atrito de Coulomb
Torque motor
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 GENERALIDADES ... 16
1.2 OBJETIVOS E O PROBLEMA PROPOSTO ... 17
1.3 METODOLOGIA UTILIZADA... 19
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 21
1.5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
1.5.1 Agricultura de Precisão ... 22
1.5.2 Sistema de Posicionamento Global e os Mapas de Variabilidade ... 24
1.5.3 Adubação e Tec nologias de Aplicaç ão à Taxa Variável ... 27
1.5.4 Descrição e análise das necessidades das semeadoras-adubadoras ... 30
2 DESCRIÇÃO DA BANCADA EXPERIMENTAL DE TEST ES ... 33
2.1 SISTEMA DOSADOR DE ADUBO À TAXA VARIÁVEL... 34
2.2 ACIONAMENTO HIDRÁULICO ... 36
2.3 SISTEMA DE CONTROLE E INSTRUMENTALIZAÇÃO... 44
2.4 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DA BANCADA EXPERIMENTAL E SEU FUNCIONAMENTO ... 47
2.5 DISCUSSÃO ... 51
3 MODELAGEM MATEMÁTICA ... 53
3.1 INTRODUÇÃO ... 53
3.2 CONDIÇÕES PARA A MODELAGEM MATEMÁTICA ... 54
3.3 MODELAGEM MATEMÁTICA DA DINÂMICA DO EIXO DE UM SISTEMA DOSADOR DE ADUBO À TAXA VARIÁVEL ... 55
3.4 MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA DE ACIONAMENTO HIDRÁULICO ... 57
3.5 MODELAGEM DA DINÂMICA DO ATRITO ... 59
3.6 DISCUSSÃO ... 61
4 RESULTADOS ... 62
4.1 INTRODUÇÃO ... 62
4.2 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DO COEFICIENTE DE VAZÃO MÁSSICA... 63
4.3 IDENTIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DOS PARÂMETROS DO ATRITO ... 67
4.4 DETERMINAÇÃO DO MOMENTO DE INÉRCIA ... 72
4.5 TESTES EXPERIMENTAIS EM MALHA ABERTA... 74
4.6 IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONAL DO MODELO MATEMÁTICO ... 79
4.7 SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS E VALIDAÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO ... 80
APÊNDICE A PROGRAMA PARA PROCESSAMENTO DOS TESTES EXPERIMENTAIS E
DETERMI NAÇÃO DO COEFI CIENTE DE V AZÃO MÁSSICA ... 96
APÊNDICE B PROGRAMA PARA AJUSTE DA CURVA DE ATRITO AO MAPA ESTÁTICO DE ATRITO... ... 99
APÊNDICE C PROGRAMA PARA PROCESSAMENTO DOS TESTES EXPERIMENTAIS EM BANCADA INS TRUMENTALI ZADA ...100
APÊNDICE D PROGRAMA GERADOR DE DADOS PARA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ...103
ANEXO A – CATÁLOGO DO MOTOR HI DRÁULICO ...104
ANEXO B – CATÁLOGO DAS VÁLVULAS...106
ANEXO C - CATÁLOGO DO ENCODER...111
1 INTRODUÇÃO
1.1 Generalidades
Estudiosos de diferentes campos da ciência dedicam-se aos problemas relacionados ao crescimento populacional e seus reflexos. Pesquisas apontam que a humanidade vem consumindo mais do que a natureza consegue repor. A longevidade e as altas taxas de natalidade em países subdesenvolvidos são apontadas como razões para explicar esse fenômeno (FONTANA et al., 2015). Neste cenário, a demanda por alimentos será superior àquilo que pode ser cultivado.
Diante dessa realidade, o principal desafio para os pesquisadores na agricultura é a produção de conhecimentos para assegurar sustentabilidade econômica, a preservação do meio ambiente e a produção de alimentos a todos. Nessa perspectiva, é imprescindível alcançar maiores níveis de produtividade por meio de inovações tecnológicas, perante de uma agricultura que garanta um desenvolvimento justo e sustentável, respeitando os limites ecológicos e garantindo a sustentabilidade social e ambiental.
Atualmente, a agricultura de precisão é um exemplo de avanço na administração e gerenciamento das propriedades rurais. Trata-se de métodos de otimização agrícola para elevar a produção e reduzir os custos da lavoura diante de tratamentos individualizados do solo. Neste sentindo, existem algumas tecnologias que potencializam o desenvolvimento dessa filosofia de trabalho como: os microprocessadores e os aparelhos de posicionamento global por satélite (GPS), que acoplados a colhedoras, semeadoras-adubadoras e outros implementos agrícolas, permitem o levantamento e análise de dados para a aplicação de insumos à taxa variável (UMEZU, 2003).
A evolução na agricultura e a necessidade de aumentar a produção de forma sustentável, principalmente em relação à preservação do meio ambiente, são requisitos para a agricultura de precisão, que tem como objetivo a maximização da produção com o menor uso de insumo possível (MOLIN et al., 2015).
Necessita-se salientar, entretanto, que para a aplicação correta e eficiente desses insumos exige-se, inicialmente, um diagnóstico dos possíveis problemas de
fertilidade do solo e nutrição das plantas antes da utilização da adubação. O uso racional é realizado com a regulagem e a operação adequada dos equipamentos para aplicação desses insumos, de forma a aplicá-los na quantidade essencial e no local adequado. Assim, buscando-se a aplicação necessária de acordo com as funções ecológicas prejudicadas, visando à economia e o menor impacto ambiental possível.
Machado et al. (2015a) destaca que na agricultura de precisão já se tem um avanço na elaboração de mapas de variabilidade do solo, mapas de produtividade, mapas de aplicação e no Sistema de Posicionamento Global (GPS), sendo que o desafio atual é a precisão das máquinas de aplicação de adubo à taxa variável.
Desta maneira, esta pesquisa desenvolveu um modelo matemático que descreve o comportamento dinâmico de um sistema de controle para adubação a taxa variável com acionado hidraulicamente, voltado para aplicações na agricultura de precisão.
1.2 Objetivos e o problema proposto
Esta pesquisa do Mestrado em Modelagem Matemática faz parte da linha de pesquisa Modelagem Computacional, Otimização e Controle de Sistemas e os objetivos foram definidos com o propósito de alcançar aspectos diferenciais em relação à literatura especializada (CARNEIRO et al., 2017, REYNALDO e GAMERO, 2015; MACHADO, 2015a; MOLIN, 2015; UHRY, 2013; GARCIA, 2011; YU, 2006, UMEZU, 2003;), destacando-se principalmente os seguintes:
• Realizar a revisão bibliográfica na literatura sobre a agricultura de precisão e adubação à taxa variável;
• Desenvolver um modelo matemático dinâmico que represente o comportamento de um sistema de aplicação de fertilizantes à taxa variável, acionado hidraulicamente;
• Realizar testes em bancada experimental e simular diferentes situações de dosagem para a definição dos parâmetros envolvidos e validação do modelo matemático de controle do sistema dosador de adubo à taxa variável;
• Executar a simulação computacional e a validação experimental do modelo matemático;
• Contribuir para a mecanização da agricultura de precisão de baixo custo e auxiliar no desenvolvimento de inovações tecnológicas que possibilitem produções limpas e sustentáveis.
Portanto, tem-se como contribuição principal deste trabalho a modelagem matemática da dinâmica de um sistema dosador de adubo para auxílio no desenvolvimento de metodologias e estratégias de controle de dosagem de adubo à taxa variável. A Figura 1 está apresentando uma semeadora-adubadora executando tarefas em campo.
Figura 1 – Fotografia de um trator e semeadora-adubadora em trabalho de campo
Fonte: VENCE TUDO (2016)
Na seção seguinte apresentam-se alguns termos e conceitos específicos relacionados à pesquisa, justificando as contribuições da modelagem matemática para a adubação à taxa variável e para a agricultura de precisão. Além disso, são descritas as referências bibliográficas que forneceram subsídios teóricos e auxiliaram os trabalhos relacionados à pesquisa.
1.3 Metodologia utilizada
A metodologia utilizada para a realização da pesquisa é baseada em uma revisão bibliográfica e na identificação do problema relacionado à precisão das semeadoras-adubadoras. A partir da identificação do problema, buscou-se selecionar as variáveis do sistema definindo-se formas de controle, observando-se os efeitos causados por cada variável para a elaboração da modelagem matemática.
Em relação à modelagem matemática, optou-se pela técnica da caixa branca, a qual se baseia na utilização de princípios físicos para explicar a natureza do sistema e demonstrar a influência dos parâmetros no processo. Após a formulação matemática e definição do modelo, uma bancada instrumentalizada de testes equipada com sensores de pressão e de deslocamento angular foi utilizada para aquisição de dados experimentais e ajuste dos parâmetros utilizados na modelagem matemática. A partir dos dados experimentais, simulações matemáticas foram realizadas para validar o modelo que descreve o comportamento de um sistema de controle para adubação à taxa variável acionado hidraulicamente, voltado para aplicações na agricultura de precisão.
Para simular situações que se assemelham a operações reais de adubação em campo, utilizou-se o fertilizante sólido NPK1 02-20-20 para os testes realizados na bancada instrumentalizada, devido sua ampla utilização em culturas produtoras de grãos. Esse tipo de fertilizante sólido possui o formato granulado e apresenta baixa umidade. Característica que é a principal responsável pelo empedramento, que é a cimentação das partículas do fertilizante formando uma massa de dimensões muito maiores que a das partículas originais (ALCARDE; GUIDOLIN; LOPES, 1998), que ocorre em temperaturas elevadas ou baixa umidade do ar, o que pode ocasionar dificuldades de manuseio e de aplicação.
A partir dos dados experimentais, estimou-se e ajustou-se o valor dos parâmetros utilizados no modelo matemático, incluindo-se a não linearidade do atrito. Por meio das simulações computacionais analisou-se o comportamento de situações que se assemelham a operações reais em campo para validar o modelo
1
NPK = sigla utilizada em estudos de agricultura, que designa a relação dos três nutrientes principais para as plantas (nitrogênio, fósforo e potássio), também chamados de macronutrientes, na composição de um fertilizante.
matemático de controle de adubação à taxa variável, considerando-se as características dinâmicas do atrito.
As simulações computacionais foram realizadas no software MatLab® e, em especial, da plataforma Simulink. A bancada com os cinco dosadores foi conectada a uma placa alemã dSPACE DS 1104, integrada a um microcomputador. Para o funcionamento da bancada utilizou-se da infraestrutura e dos recursos humanos disponível no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS, credenciado pela Agência Nacional de Petróleo _ ANP em 13 de outubro de 2014, portaria no. 1.542 do D.O.U) da Unijuí Campus Panambi, bem como dos demais Laboratórios vinculados e da Biblioteca. O NIMASS foi implantado com recursos financeiros do FINEP/SEBRAE/MCT e modernizado com apoio de um projeto no âmbito do Programa de P&D da ANEEL). Esta pesquisa conta com apoio de bolsas de iniciação científica da Fundação de Amparo à Pesquisa do Rio Grande do Sul (FAPERGS) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), bem como da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). O CNPq, também forneceu auxílio financeiro por meio de bolsa de mestrado.
Além da modelagem matemática foram realizados testes para relacionar a velocidade angular com a quantidade de adubo dosada. Utilizando a relação entre a velocidade angular e a quantidade de adubo dosada para captura da constante de adubação. Abordou-se também a dinâmica do dosador de adubo da semeadora-adubadora para estudo dos comportamentos e a ação das forças que produzem ou modificam os movimentos, como a potência e o torque hidráulico. Para isso, utilizou-se de equações que utilizou-serão melhores detalhadas na utilizou-seção 3.
Com base nos objetivos, esta pesquisa se classifica enquanto pesquisa descritiva e exploratória e em relação ao seu modelo conceitual e operativo enquanto bibliográfica e experimental. Os dados foram obtidos de forma direta extensiva com categorias emergentes e analisados quantitativa e qualitativamente, tomando como base a revisão de literatura e a prática experimental.
1.4 Organização do trabalho
Está dissertação está organizada em quatro capítulos. O primeiro capítulo é dedicado a uma revisão bibliográfica do tema, descrevendo algumas pesquisas relacionadas ao tema de estudo, além dos objetivos e a metodologia utilizada. No capítulo 2, é apresentada a bancada instrumentalizada de testes experimentais com acionamento hidráulico. A modelagem matemática do eixo da dosadora de adubo, das não linearidades e da cinemática é apresentada no capítulo 3. O capítulo 4 traz os resultados dos testes experimentais em malha aberta e a validação do modelo matemático. Por fim, têm-se as conclusões e as perspectivas para a continuidade desta pesquisa, as referências utilizadas, os apêndices e os anexos.
1.5 Revisão bibliográfica
Nesta seção apresenta-se uma revisão bibliográfica relacionada ao tema do trabalho baseada na literatura científica clássica (livros) e em artigos científicos publicados em eventos e periódicos.
Além de abordar os trabalhos que nortearam os rumos da pesquisa, neste capítulo apresentam-se as tecnologias e as particularidades dos equipamentos que auxiliaram no desenvolvimento do projeto e os principais conceitos metodológicos referentes à agricultura de precisão.
1.5.1 Agricultura de Precisão
A transformação agrícola é resultado dos avanços tecnológicos e do conhecimento acumulado no decorrer da história. A busca constante pelo aumento do lucro e da produtividade proporcionou maior cuidado no manejo das lavouras, pastos e pomares em virtude das diferenças internas das áreas. Para essa metodologia de trabalho e gerenciamento agrícola deu-se o nome de agricultura de precisão (BALBINO et al., 2011).
Alguns relatos sobre a utilização da agricultura de precisão ocorreram em 1980, quando foram gerados os primeiros mapas de produtividade na Europa. No mesmo ano, nos Estados Unidos foram realizadas as primeiras adubações com doses variadas. Em Minnesota (EUA), pesquisadores chamavam a atenção para a grande variabilidade espacial nas lavouras, devido à própria formação dos solos ou resultado das interferências do homem (MOLIN et al., 2015).
As primeiras atividades ligadas à agricultura de precisão no Brasil ocorreram na década de 1990, diante da importação de colhedoras equipadas com monitor de produtividade de grãos. A aplicação de fertilizantes em taxa variáveis passou a ser praticada no país no final da década de 90. A partir dos anos 2000, surgiram as primeiras máquinas aplicadoras à taxa variável no país.
Outro fato que auxiliou na difusão da agricultura de precisão foi que em 1996 houve o primeiro simpósio sobre o assunto na Universidade Federal de São Paulo (USP). Já em 2004, na USP, houve o primeiro congresso Brasileiro de Agricultura de Precisão (COnBAP).
Para Schueller (1992), essa filosofia de trabalho pode ser entendida através do cuidado detalhado do solo e da cultura considerando as diferenças da lavoura, reduzindo os custos da produção e os impactos ambientais. Segundo Stara (2016a), agricultura de precisão é uma prática agrícola na qual utiliza-se tecnologia de informação baseado no princípio da variabilidade do solo e do clima. Diversas ações são necessárias para a implementação dessa metodologia de gerência agrícola. Dentre essas ações, inicia-se com a análise e preparo do solo, realizando-se uma coleta de amostras para identificar a estrutura do solo e da camada compactada, para verificar os atributos do solo (pH, nutrientes, matéria orgânica, etc.) e sua devida correção; até a etapa que trata-se da colheita com máquinas e sensores de produtividade e geração de mapas de produtividade, como monstra a Figura 2.
Figura 2- Diagrama esquemático da agricultura de precisão
Fonte: Arvus Tecnologia (2016)
A agricultura de precisão, para Sulzbach (2003), pode ser definida como um conjunto de tomadas de decisões no sistema produtivo, dividido em três etapas: colheita e geração de mapas de produtividade, análise e avaliação do mapa de
produtividade e, geração e execução de mapas de aplicação de taxa variável para o preparo do solo, plantio, adubação e pulverização. Para Molin e Mazzotti (2000), a operação de distribuição do produto deve ser uniforme, se isso não acontecer de nada adianta a correta seleção de insumos e fertilizantes.
Para a agricultura de precisão é indispensável à identificação da ocorrência da variação de produtividade dentro de uma área de cultivo. Para isso o produtor deve identificar as causas e a melhor estratégia de manejo para cada ponto2 da propriedade, já que o solo deve ser monitorado continuamente ao longo do tempo, evitando a aplicação de fertilizantes e corretivos agrícolas superdimensionados (LOPEZ e GUILHERME, 1998).
Em consequência das necessidades apresentadas, a seção seguinte apresenta o sistema de posicional global e os mapas de variabilidade.
1.5.2 Sistema de Posicionamento Global e os Mapas de Variabilidade
O sistema de posicionamento global (GPS3), desenvolvido pelos militares dos Estados Unidos durante a década de 70 com o objetivo de fornecer a correta localização de suas tropas em todo o planeta, hoje é indispensável para a prática da agricultura de precisão e diversas aplicações civis (SANTOS e NELSI, 2006). À medida que as operações agrícolas foram avançando à busca da uniformidade das lavouras, fazendo com que manchas fossem abolidas e fosse possível nivelar os talhões pelas altas produtividades e a aplicação de insumos às taxas variadas para cada metro da lavoura (MOLIN, 2008), os sistemas de navegação com um receptor de GPS são utilizados para gerenciar as aplicações e orientar os veículos agrícolas no campo.
Como o GPS é um sistema de satélite, ele não necessita de internet e permite que locais com grande dificuldade de comunicação, realizem o mapeamento de seu espaço. Ainda, pode-se utilizar esse sistema para trabalhar em condições de baixa visibilidade no campo, como no caso de chuva, poeira, nevoeiro e escuridão (FLORES, 2010).
2
Entende-se por ponto da propriedade uma determinada área especifica de cultivo conhecida também por talhão (MOLIN et al., 2015).
3
Neste viés, o GPS possibilitou o avanço da agricultura de precisão para grandes áreas de cultivo, modificando as técnicas de cultivo e incorporando novas ferramentas para o agricultor utilizar (PATERNIANI, 2001). No intuito de potencializar o controle da variabilidade, essa tecnologia auxilia na manipulação e análise de uma grande quantidade de dados geoespaciais.
O grande desafio para potencializar a produção agrícola é o controle da variabilidade espacial. As práticas da agricultura de precisão estão diretamente ligados aos dados disponíveis e coletados, quanto mais detalhados as informações, mais preciso é o controle da variabilidade.
Segundo Cassia et al. (2015), as técnicas de agricultura moderna se diferenciam dos conceitos tradicionais devido seu nível de gerenciamento, nos quais as informações adquiridas permitem, aos produtores, identificar melhores estratégias gerando maior eficiência operacional.
O planejamento é tarefa fundamental e imprescindível para o uso da terra. Dentro deste contexto, os mapas de geoprocessamento contribuem para um planejamento rural adequado, pois abrangem um conjunto de procedimentos (análise do solo, tipo de solo, nutrientes, entre outros), manipulação e análise de dados espacialmente referenciados (BOLFE; PEREIRA e MADRUGA, 2004).
A variabilidade presente nas lavouras, comprovada nos mapas de produtividade, como exemplificado na Figura 3, resulta nas ações que devem ser tomadas para maximizar a produção e reduzir os custos através da aplicação de insumos à taxa variável de acordo com a necessidade de cada ponto da propriedade. Na Figura 3 os tons de azul indicam menor produtividade enquanto os tons de vermelho indicam maior produtividade.
Figura 3 – Exemplo de mapas de produtividade
Fonte: SUDDUTH (1999), apud UMEZU (2003)
A geração dos mapas de produção que geralmente são obtidos através das máquinas colhedoras equipadas com sensores que fazem a medição do fluxo de massa e teor da umidade dos grãos, só é possível através da utilização do sistema de posicionamento em campo que realiza o mapeamento da área de cultivo indicando a produção em cada ponto da propriedade. Através do emprego de monitores nas máquinas agrícolas, essas informações de grande relevância e utilidade são extraídas para o gerenciamento agrícola em operações específicas, como a colheita (COMPAGNON et al., 2012). Assim, permitindo a observação quanto à variabilidade do processo e o gerenciamento das variáveis agrícolas para uma próxima safra.
Nesta perspectiva, a coleta de informações sobre a produtividade combinadas com as informações dos mapas de fertilidade do solo, Figura 4, permite um planejamento adequado para a construção do mapa de aplicação de fertilizantes à taxa variável. A Figura apresenta exemplos de mapas de solo para concentração de fósforo, potássio e níveis de pH, onde os tons de azul indicam menor concentração de nutrientes e os tons em vermelho maior concentração de nutrientes.
Figura 4 – Exemplo de mapas de fertilidade
Fonte: SUDDUTH (1999), apud UMEZU (2003)
Espera-se que os mapas de aplicação auxiliem na preservação dos recursos naturais através do uso racional de insumos com o auxilio de ferramentas computacionais que permitam a interface das informações coletadas com as máquinas de aplicação, tendo como objetivo principal a precisão das dosagens de acordo com a necessidade localizada.
1.5.3 Adubação e Tecnologias de Aplicação à Taxa Variável
A adubação é fundamental para o desenvolvimento vegetativo e produtivo nas lavouras. Diante desse contexto, diversas pesquisas buscam o aperfeiçoamento da adubação à taxa variável com diferentes tecnologias.
No mercado nacional a tecnologia de dosagem de fertilizante a taxa variável é aplicado em marcas como John Deere (John Deere, 2015), Stara (Stara, 2016a) (Stara, 2016b) (Stara, 2016c), Vence Tudo (Vence Tudo, 2016a) (Vence Tudo, 2016b), Semeato (Semeato, 2016) e Massey Ferguson (Massey Ferguson, 2016).
Na Tabela 1 apresentam-se os detalhes dos sistemas da dosagem de fertilizante relacionados a essas marcas.
Tabela 1 - Detalhamento das semeadoras-adubadoras comercializadas no mercado nacional
Marca Modelo Dosador Acionamento Nº de
linhas
John Deere Séria 2100 ProMeter Hidráulico 13 a 34 Stara Prima e Ceres Super Fertisystem Hidráulico 44 a 56
Stara Victória Fertisystem Hidráulico 05 a 13
Stara Victória TOP RD e RD Fertisystem Hidráulico 11 a 17 Vence Tudo Macanuda Fertilizante Fertisystem Hidráulico 24 Vence Tudo Panther Precision Fertisystem Hidráulico 06 a 15
Semeato Sol Tower Semeato Hidráulico 07 a 15
Massey Ferguson MF 700 CFS Fertisystem Hidráulico 11 a 30
Fonte: adaptado de Mantovani (2016)
Com os resultados da pesquisa no mercado, destacam-se dois fatores importantes: o grande uso do dosador Fertisystem (praticamente em todos os sistemas de dosagem) e todos usam o acionamento hidráulico não individual por linha. Em apenas nas semeadoras-adubadoras da Sol Tower da Semeato e Séria 2100 da John Deere que esse modelo de dosador helicoidal por transbordo não é utilizado.
Além da pesquisa de mercado, também se buscou em trabalhos acadêmicos as propostas e tecnologias relacionadas à adubação à taxa variável. Dentro deste cenário, Martins (1999) realizou o desenvolvimento de um dosador helicoidal utilizado por uma máquina do tipo semeadora-adubadora à taxa variável para avaliação da rotação e vazão em diferentes níveis com diferentes matérias-primas. Utilizando uma bancada de testes equipado com sensores de vazão e peso foi constatado que o dosador apresenta melhor uniformidade operando em vazões mais elevadas.
Já Umezu (2003) trabalhou com um sistema de controle de um equipamento de formulação, dosagem e aplicação de fertilizantes sólidos no sulco, a taxas variáveis. Os dispositivos dosadores foram acionados por motores hidráulicos com velocidades angulares controladas por servo- válvulas, compensadas à pressão. Por
meio de um GPS para fornecer a posição do equipamento e um sistema geral de controle responsável em interpretar um mapa de aplicação e comandar os dosadores de acordo com a posição geo-referenciada e com a velocidade de deslocamento do equipamento. Testes em laboratório foram realizados para avaliar a faixa de variação e a precisão da rotação em cada um dos motores, a rapidez para a obtenção da rotação desejada e ainda a potência disponível para o acionamento dos dosadores.
Garcia (2011) desenvolveu um sistema de controle fuzzy, em malha fechada, da taxa de aplicação de fertilizante. Para isso, desenvolveu um modelo matemático que representa o comportamento do mecanismo dosador, um sensor para medir o fluxo de fertilizante e, por fim, o projeto de um controlador do tipo fuzzy para controle da taxa de aplicação de fertilizante. Utilizando um motor elétrico o autor utilizou a tensão de excitação como variável manipulada e as variáveis de entrada foram: o erro e o desvio da taxa de aplicação atual e a taxa requerida, além da velocidade e do desvio da velocidade de deslocamento do equipamento.
Uhry (2013) realizou uma avaliação de um conjunto trator semeadora com sistema de taxa variável com três diferentes velocidades de deslocamento. Também realizou um estudo sobre a interferência do relevo para a utilização de sementes à taxa variável na produção de soja. O autor concluiu que a produtividade de grãos diferiu estatisticamente entre os locais do relevo. Diante dos resultados dos experimentos, o relevo póde ser usado como fator na tomada de decisão, referente ao uso da taxa variável, na semeadura de soja.
Machado et al. (2015b) analisaram a acurácia e o tempo de reposta em máquinas de aplicação à taxa variada. No estudo, os autores constataram que os níveis de desempenho obtidos eram preocupantes, com reprovação de 59% dos equipamentos para tempos de resposta e 53% para acurácia. Evidenciando assim que as máquinas podem comprometer severamente o manejo localizado e os resultados da agricultura de precisão à taxa variável.
Carneiro et al. (2017) avaliaram a qualidade da adubação mecanizada individualizada de NPK por meio do Controle Estatístico de Qualidade, com o monitoramento da adubação mecanizada individualizada de NPK em 30 pontos amostrais. O mecanismo dosador helicoidal foi uma das causas especiais que afetou a qualidade operacional, pois não foi eficiente na distribuição. Os autores concluíram que a qualidade da adubação individualizada de fertilizante aplicou a dosagem
acima da recomendada para todos os fertilizantes, devido à regulagem e o mecanismo dosador helicoidal. O nitrogênio (ureia protegida) apresentou maior variabilidade de distribuição enquanto o fósforo (MAP) apresentou a melhor qualidade operacional devido a menor quantidade recomendada.
1.5.4 Descrição e análise das necessidades das semeadoras-adubadoras
A agricultura no Brasil sofreu profundas transformações desde a década de 1960, principalmente em relação à tecnologia utilizada no setor. Diante deste cenário, é possível perceber a profissionalização do produtor e a utilização de um nível tecnológico maior, como: sementes melhoradas, fertilizantes, análise e correção do solo, plantio direto, máquinas e implementos agrícolas que utilizam sensores e aparelhos de posicionamento global (GPS) para levantamento de dados e aplicação de insumos à taxa variável (UMEZU, 2003).
O desempenho da agricultura tem alcançado expressivos resultados nos últimos anos, colocando o país entre os principais produtores de grãos do mundo. Na safra 2015/2016, a produção brasileira alcançou 186,4 milhões de toneladas de grãos. O volume é 10,3% menor que a safra passada, com uma redução de 19,19 milhões de toneladas. A área plantada, nesta safra, ficou em torno de 58,15 milhões de hectares, crescimento previsto de 0,4% se comparada com a safra 2014/2015 (57,93 milhões de hectares), segundo estudos da Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB, 2015).
A agricultura de precisão, em especial, trouxe importantes contribuições para o aprimoramento dos sistemas agrícolas, produzindo novos níveis de eficiência nos aspectos quantitativos e qualitativos. A evolução da produção agrícola brasileira nos últimos vinte anos foi de 1945 kg.ha-¹ para 3406 kg.ha-¹ de acordo com os dados da Ecoagro (2016)4.
Com os avanços do plantio direto no Brasil, as semeadoras-adubadoras de precisão têm dominado o mercado de implementos agrícolas devido à vantagem da adubação simultânea à implantação da cultura. Também conhecida como adubação de semeadura, as semeadoras-adubadoras buscam um desenvolvimento
sustentável nas lavouras através da correta adição de sementes e adubo ao solo, sem o revolvimento do solo e procurando manter a maior quantidade de cobertura vegetal.
Nas semeadoras-adubadoras, tradicionalmente, o acionamento do mecanismo dosador é realizado através de ligação mecânica com a roda da semeadora. Já nos implementos agrícolas com sistema de taxa variável, o acionamento é realizado por um motor hidráulico, no qual a bomba hidráulica é acionada pela tomada de potência, ou diretamente pelo sistema hidráulico do trator. Através de um aplicativo (software), uma central é responsável em controlar a vazão de uma ou mais bombas hidráulicas, variando a quantidade de sementes e adubo(s) que são depositadas no solo, de acordo com taxas pré-fixadas, ou seguindo mapas de aplicação referenciados por GPS (UHRY, 2013).
Neste contexto, a aplicação localizada de insumos é gerenciada por meio de um mapa que determina a variabilidade do solo. Em seguida, o campo é divido em celas ou pontos e a dosagem é definida por meio da necessidade de cada ponto, gerando o mapa de aplicação. As coordenadas do campo e as doses de aplicação são arquivadas na memória de controle que comanda o atuador e ajusta o mecanismo dosador responsável pela aplicação em cada local no campo (MOLIN, 2015), como demonstrado na Figura 5.
Figura 5 - Esquema de sensoriamento e controle de uma semeadora-adubadora a taxa variável
Fonte: Ziech et al. (2015)
Como o sensoriamento e a aplicação de insumos ocorrem simultaneamente, o processo deve ser rápido e preciso para garantir que a dose correta seja aplicada no local certo.
Para a realização da pesquisa algumas particularidades foram consideradas, entre elas as velocidades utilizadas para os testes experimentais em laborátorio foram baseadas de acordo com as tabelas de recomendação de corretivos e fertilizantes da EMBRAPA5 (2015; CQFS/RS – SC, 2004). Considerando-se assim a quantidade mínima e máxima de adubação em cada local predeterminado pelo mapa de aplicação de fertilizantes.
2 DESCRIÇÃO DA BANCADA EXPERIMENTAL DE TESTES
Neste capítulo, apresenta-se a descrição da bancada instrumentalizada para testes de um sistema dosador de adubo à taxa variável com acionamento hidráulico. Os componentes utilizados para o projeto e, consequentemente, para a construção desta bancada foram disponibilizados pelo Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS/ UNIJUÍ Campus Panambi, credenciado pela Agência Nacional de Petróleo _ ANP em 13 de outubro de 2014, portaria no. 1.542 do D.O.U), exceto a estrutura com os cinco dosadores de adubo, a qual foi concebida na empresa Imasa. A seguir é descrito as características de cada um dos elementos e seu funcionamento na bancada de testes experimentais.
A bancada, ilustrada na Figura 6, é composta por três sistemas: sistema de controle, sistema de acionamento e o sistema dosador de adubo à taxa variável. Na Figura 6 mostram-se também os equipamentos utilizados na bancada instrumentalizada e o sentido do eixo de acionamento dos dosadores de adubo à taxa variável utilizados nos testes experimentais realizados em laboratório.
Figura 6 – Desenho da bancada experimental de testes
Na bancada dosadora, Figura 7, utilizou-se cinco dosadores de adubo por transbordo e um reservatório de fertilizantes sólidos, montados sobre uma estrutura tubular de aço. Essa estrutura tem como objetivo representar o sistema dosador de uma semeadora-adubadora comercial. O acionamento dos dosadores é realizado por um eixo de aço que possui em sua extremidade uma polia para acionamento da correia que será ligado ao sistema de acionamento hidráulico. A bancada possui também regulagem de inclinação para simulação com diferentes inclinações longitudinais.
Figura 7 – Componentes da bancada dosadora de adubo à taxa variável
Fonte: próprio autor
O projeto da bancada experimental atendeu os objetivos propostos. Na seção seguinte apresenta-se o sistema de acionamento.
2.1 Sistema Dosador de Adubo à Taxa Variável
Os dosadores de adubo utilizados para a construção da bancada de testes foram desenvolvidos para efetuar com regularidade a distribuição de fertilizantes. Seu funcionamento faz com que o adubo seja impulsionado pela rosca sem fim e
conduzido até uma câmara de represamento, até que transborde em quantidades volumétricas, uniformes e homogêneas pelo regulador para o bocal de descarga, mostrado na Figura 8. A distribuição precisa e uniforme favorece a absorção dos fertilizantes pelas plantas em quantidades corretas, impulsionando o desenvolvimento vegetativo e produtivo.
Figura 8 – Dosador de adubo Fertisystem
Fonte: adaptado de AGROMAC (2015)
Na pesquisa, utilizou-se o dosador de fertilizantes helicoidal por transbordo da Fertisystem desenvolvidos pela empresa Agromac. Esse modelo de dosador possui a opção de regulagem da dosagem de fertilizante através da mudança do “passo” da rosca sem fim (( ) ) mostrado na Figura 9. Assim, quanto maior o “passo” do helicoide, maior é a quantidade de adubo dosada. Esse eixo helicoidal é baseado no parafuso de Arquimedes tendo a finalidade de transferir partículas entre dois pontos com elevações diferentes. Na antiguidade, os romanos utilizavam para retirar água de minas e poços artesianos (DALLEY e OLSON, 2003).
Figura 9 – Exemplo dos passos de helicoides dosadores de adubo, (a) ( ) , (b) e (c) de passo
Fonte: adaptado de Agromac (2015)
A opção pela utilização do modelo de dosador descrito justifica-se na ampla utilização por diferentes fabricantes de semeadoras-adubadoras de precisão. De acordo com Ferreira et al. (2007), o mecanismo dosador de adubo do tipo rosca sem fim é oferecido em aproximadamente 65,1% dos modelos de semeadoras-adubadoras disponíveis no mercado brasileiro. Outra vantagem da utilização é devido à capacidade desses dosadores em desestruturar os empedramentos dos fertilizantes ocasionados devido à umidade relativa do ar ou da temperatura elevada. Esse fenômeno resulta em uma massa com tamanho maior que das partículas originais, o que exige maior força dos componentes mecânicos para a descompactação das “pedras” de adubo.
2.2 Acionamento Hidráulico
A partir do conceito de projeto conceitual que, de acordo com Valdiero (2005), é a parte do processo onde as técnicas de criatividade, a elaboração de estruturas de funções, a procura por princípios de solução, suas combinações na síntese de concepções e as técnicas de avaliação são aplicadas com o propósito de se chegar a uma solução conceitual viável e capaz de resolver o problema. Desenvolveu-se um circuito de potência e condicionamento hidráulico, uma válvula de controle direcional e um atuador, além dos elementos que geram informações para o sistema de controle.
De acordo com o processo de projeto descrito em Pahl e Beitz, a fase de projeto conceitual segue a análise da necessidade e resulta na especificação de uma solução para o problema em estudo. A concepção da bancada experimental assumiu a forma de uma estrutura modular, composta por uma unidade hidráulica de alimentação e de comando, uma bancada de trabalho instrumentalizada e um microcomputador com placa eletrônica dSPACE, a qual foi acoplado à máquina dosadora por meio de uma transmissão de correia.
O desenho conceitual do circuito hidráulico da bancada de trabalho instrumentalizado é representado pelo seu circuito hidráulico padrão ISO 1219 como é representado na Figura 10.
Figura 10 - Circuito hidráulico da bancada de testes representada de acordo com a norma ISO 1219
Fonte: Ziech et al. (2016a)
O projeto da fonte de alimentação hidráulica e a unidade de controle estão representados de acordo com o circuito hidráulico padrão ISO 1219 na Figura 11. A
fonte de alimentação hidráulica e unidade de controle são compostas por reservatório de fluido, filtros, motor elétrico, bomba, válvula de controle de fluxo variável, válvula de controle de pressão e acessórios básicos. O reservatório hidráulico armazena fluido de óleo hidráulico não pressurizado. O motor elétrico fornece a fonte de alimentação para a bomba hidráulica que transfere o fluido do reservatório para o sistema hidráulico. Esta transferência aumenta o nível de energia do fluido aumentando a sua pressão regulada.
Figura 11 – Circuito hidráulico proposto da bancada instrumentalizada representada de acordo com a norma ISO 1219
Fonte: Valdiero et al. (2016b)
O sistema de acionamento é constituído por um motor hidráulico e seus componentes foram detalhados na Figura 12. O motor hidráulico (2) é parafusado a um flange fabricado em chapa de“¼” (um quarto de polegada), o qual é fixado ao quadro móvel; este quadro está soldado a dois suportes, sendo um deles para fixação do encoder incremental (4) e o outro para fixação da placa de ligação (12); para a transmissão do movimento rotativo do motor hidráulico até o módulo do equipamento é utilizada uma polia de alumínio (10) de diâmetro 200 mm (duzentos milímetros) de perfil A, a qual está montada a um eixo (8); o eixo do motor hidráulico
(2) está acoplado ao da polia (8) através de um acoplamento de dentes arqueados (9) que é composto por dois cubos de aço e uma capa de nylon; o posicionamento do eixo da polia é feito por mancais (6) e rolamentos (7); o encoder incremental (4) está montado na ponta do eixo (8) da polia, o qual possui um rebaixo; a válvula (3) está posicionada através de uma placa de ligação (12) que possui tamanho padrão para recebê-la e saída com tamanho de rosca padronizados para conexões G1/4 (15); as tubulações (14) são conectadas à válvula (3) através da placa de ligação (12) e das conexões (15), e ao motor hidráulico (2) através das conexões (15); entre os tubos (14) estão montados blocos de metal (13) com roscas G1/4 em quatro posições, sendo dois orifícios utilizados para unir os tubos, um orifício para conectar o pressostato (5) e um último orifício que está bloqueado, mas que pode receber algum outro elemento se for preciso; e por último temos uma correia de perfil A (11).
Figura 12 – Descrição dos componentes do sistema de acionamento
Fonte: Ziech et al. (2016a)
Este sistema hidráulico utiliza fluido comprimido para transferir a energia aplicada em um determinado ponto no equipamento agrícola. A transmissão por correia transmite a potência mecânica do motor hidráulico para o eixo de acionamento da dosadora de adubo com os 5 dosadores. O desenho da Figura 13
retrata como está montada a bancada com o motor hidráulico, sensores de pressão (transdutor eletrônico de pressão), o codificador rotativo (encoder incremental), uma válvula direcional proporcional e a transmissão de correia.
Figura 13 – Desenho da bancada instrumentalizada com a transmissão por correia
Fonte: adaptado de Ziech et al. (2016a)
O ângulo de rotação do eixo do motor hidráulico é detectado pelo codificador rotativo (encoder). Nota-se que a velocidade de rotação do motor é obtida a partir da diferença do ângulo de rotação, em cada momento da amostra, bem como será mostrado nas próximas secções que descrevem os resultados dos testes experimentais.
Optou-se pelo acionamento hidráulico devido à baixa relação peso/potência, possibilitando grandes forças e torques elevados através de motores relativamente pequenos; adaptabilidade a condições extremas; resposta rápida à partida e inversão de movimento sob carga, devido aos baixos momentos de inércia; sistemas adequados tanto para o controle de processos em que o movimento é rápido quanto para o movimento de precisão extremamente lento; possibilidade de variação contínua de torque e rotação nos atuadores rotativos, por meio de controle e ajuste (LINSINGEN, 2001).
A Tabela 2 mostra a lista de materiais utilizados no projeto da bancada experimental que foram ilustrados anteriormente.
Tabela 2 - Lista de materiais Item Descrição
1 Estrutura tubular
2 Motor hidráulico Hybel SM17 TN38
3 Válvula proporcional direcional 4/3 Bosch Rexroth 4WRAE 4 Encoder Incremental Hohner Série 75
5 Transdutor eletrônico de pressão Bosch Rexroth 6 Mancal de rolamento P205
7 Rolamento Ø25mm GE25-KRR-B
8 Eixo Ø25mm c/ rebaixo para encoder Ø10mm 9 Acoplamento de dentes arqueados furo Ø25 mm 10 Polia de alumínio Ø200mm Perfil A
11 Correia perfil A 120
12 Placa de ligação TN4 tipo G467 (G1/4) 13 Bloco 4 roscas tipo G1/4
14 Tubulação Ø9mm 15 Conexões G1/4
Fonte: Ziech et al. (2016a)
O motor hidráulico é o principal componente desta bancada. A partir da potência transmitida por ele, os estudos foram realizados para melhor dimensionamento de módulos e equipamentos utilizados na indústria agrícola, otimizando o desenvolvimento do sistema de adubação à taxa variável e consequentemente o desenvolvimento da agricultura de precisão.
De acordo com Linsingen (2001), os motores hidráulicos, são conhecidos como máquinas de deslocamento positivo, porque a energia é transferida principalmente em forma de pressão, uma vez que a variação de energia cinética é pequena quando comparada com a energia total transferida, podendo portanto ser desprezada, ou seja, a conversão de energia por este processo sofre pouca ou praticamente nenhuma influência considerável da velocidade do fluido, massa específica ou inércia do eixo de acionamento.
O motor hidrostático utilizado no desenvolvimento desta bancada é o modelo SM17 série Aluminibeta da fabricante Hybel com deslocamento por engrenagens. O motor pode ser visto em desenho 3D conforme a Figura 14 e suas especificações
técnicas estão descritas na Tabela 3 e também no catálogo do motor hidráulico, ANEXO A.
Figura 14 – Motor hidrostático
Fonte: Engelmann (2015)
Tabela 3 – Especificações técnicas do motor hidrostático
Tamanho Nominal 38
Deslocamento Volumétrico 37,5 cm³/rot
Pressão Máxima Contínua 250 bar
Pressão Máxima Intermitente 280 bar
Pressão de Partida 300 bar
Rotação Máxima 3000 rpm
Rotação Mínima 500 rpm
Fonte: Ziech et al. (2016a)
Outro componente fundamental para o sistema de acionamento é a válvula de direcionamento. Para a execução dos testes experimentais, será utilizada, inicialmente, uma válvula direcional 4/3 (quatro vias/3 posições) com solenóide da fabricante Bosch Rexroth, visualizada na Figura 15. Outras informações referentes a válvula também são encontradas no ANEXO B.
Figura 15 - Válvula hidráulica de controle direcional de 4 vias e 3 posições, centro fechado, centrada por molas e acionada por solenoides.
Fonte: Engelmann (2015)
Optou-se pelo uso da válvula direcional on/off com solenoide devido ao baixo custo se relacionado aos outros modelos de válvula que possuem valor de compra elevado, como por exemplo as servo-válvulas.
A bancada experimental de testes com acionamento hidráulico utiliza a fonte de alimentação hidráulica e da unidade de controle mostrados na Figura 16. A taxa de fluxo do óleo hidráulico é regulada pela válvula de controle de fluxo variável e a pressão da fonte é ajustada pela válvula de controle de pressão.
Figura 16 – Fotografia da Unidade de Potência e Condicionamento Hidráulico (UPCH)
2.3 Sistema de Controle e Instrumentalização
Para o sistema de controle, utilizou-se um sistema informatizado para maior eficiência e velocidade de desenvolvimento da bancada (ALMEIDA, 2000). A bancada conta com um sistema de controle composto por um computador, responsável pela visualização dos dados e interface com o operador. Além disso, uma fonte controladora, HP com 24 VDC (1), é utilizada para alimentar os sensores que realizam o monitoramento da pressão do sistema e o encoder incremental, também é utilizado uma fonte geradora de 12V para realizar o acionamento do solenoide da válvula direcional e assim evitar possíveis danos ou alterações. Ao computador esta ligado uma placa móvel dSPACE 1104 (2) responsável pela captura e armazenagem dos dados da bancada de testes, a qual utiliza a integração com o software Matlab/Simulink e permite a captura, controle e manipulação dos dados em tempo real diante de uma interface gráfica, possibilitando-se o processamento dos resultados obtidos, conforme demonstrado na Figura 17.
Figura 17 - Sistema de controle da bancada instrumentalizada
O encoder incremental é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção (GOZZI et al., 2011).
O encoder incremental utilizado na bancada instrumentalizada com motor hidráulico é da fabricante Hohner série 75 com eixo vazado de Ø10 mm, capacidade para uma rotação de até 3000 rpm e 1000 pulsos por revolução, o mesmo pode ser visualizado na Figura 18 e suas especificações técnicas são detalhadas na Tabela 4 e também no ANEXO C.
Figura 18 – Representação de funcionamento de um encoder
Fonte: Fiori (2015)
Tabela 4. Especificações técnicas do encoder incremental
Rotação máxima 3000 rpm
Carga radial máxima 10 kg
Carga axial máxima 10 kg
Alimentação 5 a 28V cc
Corrente total máxima 80 mA Corrente máxima por saída 20 mA
Frequência máxima 100 kHz
Temperatura de operação -10 a +80 ºC
Pulsos por giro 1000
Em relação aos sensores de pressão, Kilian (2004), relata que são compostos por duas partes: conversão de pressão numa força ou deslocamento e conversão de força ou deslocamento em sinal elétrico. Medidas de pressão são feitas apenas para gases e líquidos e podem ser medidas como:
1. Pressão Manométrica: diferença entre a pressão de interesse e a pressão atmosférica.
2. Pressão diferencial: diferença de pressão entre dois pontos distintos no circuito, onde nenhum deles está na pressão atmosférica necessariamente. 3. Pressão absoluta: medida por um sensor de pressão diferencial com um dos
lados em 0 psi (próximo ao vácuo total).
Para realizar a medição das pressões no sistema são utilizados transdutores de pressão marca Bosch Rexroth, cujas especificações técnicas são detalhadas na Tabela 5 e também no Anexo D.
Tabela 5 – Especificações técnicas do transdutor de pressão eletrônico Variáveis de entrada
Tensão de alimentação 18 a 36 V cc
Consumo de corrente < 50 mA
Faixa de medição 100 bar
Proteção contra sobrecarga 300 bar
Variáveis de saída
Corrente suportada 250 mA
Tempo de resposta < 3 ms
Frequência maxima 170 Hz
Conexão de pressão G1/4
Conexão elétrica Para conector M12
Fonte: próprio autor
Os transdutores de pressão eletrônicos estão acoplados a válvula direcional de controle proporcional para aquisição de dados referente às variações das pressões.
A Figura 19 ilustra o transdutor de pressão eletrônico com saída analógica integrada utilizada na bancada experimental.
Figura 19 – Transdutor de pressão eletrônico com saída analógica integrada
Fonte: Engelmann (2015)
2.4 Descrição do protótipo da bancada experimental e seu funcionamento
Para a realização dos testes, necessitou-se de uma série de equipamentos eletrônicos para acionar a válvula e monitorar as variáveis necessárias para o desenvolvimento da pesquisa. Na Figura 20, visualiza-se os equipamentos utilizados na bancada instrumentalizada para testes de um sistema dosador de adubo à taxa variável com acionamento hidráulico.
Figura 20 – Equipamentos utilizados na bancada instrumentalizada para testes
Fonte: próprio autor
A fonte geradora de alimentação de tensão, Figura 21, é regulada para uma tensão de 12 V e corrente de 2,5 A, que é a tensão máxima e a corrente máxima aplicada ao solenóide da válvula direcional.
Figura 21 - Fonte geradora de tensão
Em relação a alimentação dos sensores de pressão e do encoder, uma fonte geradora de tensão HP 24 VDC é utilizada como ilustra a Figura 22.
Figura 22 - Fonte geradora de tensão HP 24 VDC
Fonte: próprio autor
Para que o sinal elétrico chegue até o solenoide da válvula, uma chave eletrônica é utilizada para realizar essa ligação, como mostra a Figura 23.
Figura 23 – Ligações e chave eletrônica
Na dSPACE é ligado o cabo da chave eletrônica, responsável em mandar comandos para a válvula, os transdutores de pressão e o cabo do encoder de acordo com a Figura 24. A principal vantagem da chave eletrônica é a possibilidade comandar o acionamento da válvula utilizando um computador com os softwares MatLab/Simulink e ControlDesk.
Figura 24 – dSPACE com os cabos de controle das variáveis
Fonte: próprio autor
Na Figura 25 é possível visualizar a dSPACE juntamente com a interface do operador, demonstrando o comportamento das variáveis.
Figura 25 – dSPACE com placa de aquisição de sinais de controle
