Mesureu directament el parell, la velocitat de gir i la potència transmesa per la presa de força d'un tractor (PTO o TDF) permet conèixer amb precisió quanta potència mecànica rep realment un implement agrícola. Aquesta informació és especialment útil en assaigs de maquinària, desenvolupament d'implements, optimització energètica, agricultura de precisió i bancs de proves.
Un sistema basat en un sensor de parell rotatiu instal·lat directament entre la presa de força del tractor i l'eix de l'implement permet obtenir aquesta informació sense necessitat dinstrumentar internament la transmissió. Un estudi publicat a Applied Engineering in Agriculture va validar aquest mètode comparant-lo amb un dinamòmetre de referència i va obtenir diferències de únicament 3 a 23 N·m durant els assaigs de verificació, sense diferències estadísticament significatives entre tots dos sistemes de mesura.
Resultat clau: el mesurament directe del parell a l'eix PTO pot proporcionar una estimació fiable de la potència transmesa a l'implement. En el sistema estudiat, el calibratge va presentar una relació pràcticament lineal perfecta, amb R² = 0,9999.
Què es mesura a la presa de força d'un tractor?
La presa de força, coneguda internacionalment com PTO (Power Take-Off) i també com a TDF, transmet potència mecànica des del tractor cap a màquines i implements com a segadores, trituradores, empacadores, adobadores, mescladores, bombes, fresadores o equips de conreu.
Per conèixer la potència mecànica transmesa no n'hi ha prou de mesurar únicament les revolucions de l'eix. Cal conèixer simultàniament dues magnituds:
- Parell o torcament (T), expressat normalment a N·m.
- Velocitat de rotació (n), expressada en revolucions per minut, rpm.
A partir d'ambdues magnituds es pot calcular la potència mecànica instantània transmesa per l'eix:
P = T × ω
P [kW] = T [N·m] × n [rpm] / 9550
Per exemple, un parell de 1.000 N·ma 540 rpm correspon aproximadament a 56,5 kW. El mateix parell 1.000 rpm representa aproximadament 104,7 kW. Per això, el parell i les rpm s'han de registrar simultàniament quan es vol analitzar la demanda real de potència d'un implement.
Com mesurar el parell directament a l'eix PTO
Una de les solucions més directes consisteix a instal·lar un transductor de parell rotatiu en línia amb la presa de força. El sensor se situa entre la sortida PTO del tractor i l‟arbre de transmissió de l‟implement o del dinamòmetre.
Mentre l'eix gira, el transductor mesura la torsió produïda per l'esforç transmès. Si el sistema registra també la velocitat de gir, és possible determinar simultàniament parell, rpm i potència mecànica.
Validació científica d'un sensor de parell a la PTO
Roeber, Pitla, Hoy, Luck i Kocher van desenvolupar i avaluar un sistema d'adquisició destinat a mesurar directament el parell i la velocitat de la presa de força d'un tractor. El treball, titulat Tractor Power Take-Off Torque Measurement and Data Acquisition System, va ser publicat el 2017 a Applied Engineering in Agriculture.
L'objectiu era comprovar si un sensor de parell instal·lat directament a l'eix PTO podia oferir resultats suficientment propers als obtinguts mitjançant el sistema de mesura de referència del Nebraska Tractor Test Laboratory.
Configuració utilitzada a l'assaig
| Sensor de parell | NCTE Sèrie 7000 utilitzat a la configuració de l'estudi |
| Rang de parell | Fins a 5.000 N·m |
| Velocitat màxima del sensor | Fins a 3.600 rpm |
| Senyal de parell | 0–10 V |
| Presa de força utilitzada | Configuració PTO de 1 3/4″, 20 estries, 1.000 rpm |
| Tractor | AGCO Allis 9695 |
| Sistema de referència | Dinamòmetre de corrents de Foucault de 522 kW del Nebraska Tractor Test Laboratory |
| Adquisició | National Instruments CompactDAQ i LabVIEW |
| Variables registrades | Parell, velocitat PTO i dades necessàries per a l'anàlisi de potència |
Aquesta configuració va permetre comparar simultàniament el senyal proporcionat pel transductor rotatiu amb el parell determinat mitjançant el dinamòmetre de laboratori.
Adquisició simultània de parell i velocitat
El sistema d'adquisició utilitzat a l'estudi es va desenvolupar al voltant d'una plataforma National Instruments CompactDAQ. El senyal analògic corresponent al parell i la informació de velocitat de rotació es registraven de manera sincronitzada mitjançant una aplicació desenvolupada a LabVIEW.
La sincronització és especialment important en aplicacions dinàmiques. En un implement agrícola, la càrrega no sol ser constant: canvia amb la densitat del cultiu, la profunditat de treball, la velocitat d'avanç, les irregularitats del terreny o els cicles mecànics mateixos de la màquina. Registrar només valors mitjans pot amagar pics de parell i fenòmens transitoris rellevants.
Calibratge del sensor davant del dinamòmetre
Abans dutilitzar un sistema de mesura daquest tipus en assaigs de camp és fonamental comprovar la relació entre el senyal elèctric del transductor i el parell mecànic real.
Durant el calibratge es van aplicar diferents condicions de càrrega i es va comparar la sortida del sensor amb el valor obtingut mitjançant el sistema de referència del dinamòmetre. L'ajust lineal obtingut a l'estudi va presentar un coeficient de determinació R² de 0,9999, la qual cosa indica una relació pràcticament lineal entre els dos senyals dins de les condicions assajades.
La regressió obtinguda pels investigadors per a la configuració concreta del sistema va ser:
Parell = −1240,9 × V + 6412,5
Equació corresponent exclusivament a la configuració i calibratge descrits a l'estudi. No s'ha d'utilitzar com a equació universal per a altres sensors.
Cada sensor ha dutilitzar la seva pròpia sensibilitat, corba de calibratge o paràmetres subministrats pel fabricant.
Resultats: quina precisió es va obtenir mesurant el parell PTO?
A les proves de verificació a plena càrrega i diferents velocitats, la diferència entre el parell obtingut mitjançant el sensor PTO i el determinat pel dinamòmetre va ser d'aproximadament 3 a 23 N·m a la primera sèrie d'assajos.
En termes relatius, els errors observats es van mantenir en valors reduïts respecte del parell transmès. Els investigadors van aplicar a més proves estadístiques a les diferències obtingudes i van determinar que no existien diferències estadísticament significatives respecte a zero a les mostres analitzades.
El resultat és especialment rellevant perquè demostra que un sensor de parell rotatiu muntat directament sobre la línia PTO es pot utilitzar per fer mesuraments de camp i assaigs de maquinària sense dependre exclusivament d'un dinamòmetre fix de laboratori.
De la NCTE Sèrie 7000 assajada als sensors PTO actuals
És important diferenciar el dispositiu concret utilitzat a l'estudi de 2017 de les versions actualment comercialitzades. La tecnologia, l'electrònica, les interfícies i les configuracions disponibles han evolucionat des de la realització d'aquell assaig.
Actualment, NCTE comercialitza transductors basats en la seva tecnologia magnetoestrictiva de mesura sense contacte, destinada a reduir el desgast i el manteniment en aplicacions rotatives. Dins la gamma hi ha solucions d'alt parell com la Sèrie 7000 i models específicament dissenyats per a aplicacions PTO agrícoles com la NCTE Sèrie 7300 / PTO 7300.
| Característica | NCTE Sèrie 7000 actual | NCTE PTO 7300 |
|---|---|---|
| Parell nominal | 3.000 a 5.000 N·m segons versió | Fins a 3.000 N·m |
| Velocitat | Fins a 3.600 rpm | Fins a 1.100 rpm |
| Precisió publicada | ≤ ±0,5 % segons configuració | ≤ ±0,5 % |
| Protecció | IP50 / opcions IP65 segons configuració | IP65 |
| Sortides disponibles | 0–10 V, 4–20 mA, CAN i altres opcions segons versió | 0–10 V, 4–20 mA, CAN o USB segons versió |
| Aplicació principal | Grans parells, bancs d'assaig, vehicles i maquinària | Presa de força de maquinària agrícola |
| Muntatge PTO | Configuracions i accessoris segons aplicació | Connexió directa 1 3/8″, 6 estries |
La selecció entre ambdues famílies depèn principalment del parell màxim esperat, velocitat de l'eix, geometria de la PTO, espai disponible, protecció ambiental i tipus d'adquisició de dades.
Tecnologies alternatives per mesurar torcament en una PTO
El mesurament de parell en una presa de força es pot resoldre mitjançant diferents arquitectures. Al mercat hi ha transductors rotatius amb electrònica integrada, sistemes de telemetria sense fil, galgues extensomètriques instrumentades sobre l'eix i sensors basats en tecnologies de mesura sense contacte.
Fabricants especialitzats com Datum Electronics i Michigan Scientific disposen també de solucions específiques per a PTO. Les característiques publicades no s'han de comparar únicament amb una xifra de “precisió”, ja que cada fabricant pot especificar paràmetres diferents –exactitud de sistema, no linealitat, histèresi, fons d'escala o incertesa– i les condicions d'assaig no sempre són equivalents.
| Solució | Enfocament | Aspectes destacables |
|---|---|---|
| NCTE Sèrie 7000 | Transductor rotatiu magnetoestrictiu | Fins a 5.000 N·mi 3.600 rpm; sortides industrials; indicat per a bancs d'assaig i maquinària d'elevat parell. |
| NCTE PTO 7300 | Sensor compacte específic per a PTO | Fins a 3.000 N·m, 1.100 rpm, IP65 i muntatge directe sobre PTO agrícola de 13/8″. |
| Datum PTO Torque Sensor | Mesurament de parell amb telemetria integrada | Solucions per a PTO amb transmissió sense fil de dades i càlcul de potència. |
| Michigan Scientific PTO | Transductor instrumentat amb telemetria / encoder | Solucions de 2.500 i 5.000 N·m orientades especialment a assaig i adquisició dinàmica. |
Per seleccionar correctament un sistema no s'ha de partir exclusivament del rang nominal del sensor. També són importants la resposta dinàmica, freqüència d'adquisició, sobrecàrrega admissible, compatibilitat mecànica, temperatura, protecció davant de pols i aigua i la integració elèctrica amb el sistema d'adquisició.
Quines dades cal conèixer abans de seleccionar un sensor de parell PTO?
- Parell nominal i parell màxim esperat, incloent possibles pics i bloquejos.
- Velocitat de funcionament: per exemple PTO de 540 o 1.000 rpm.
- Tipus i dimensions de l'estriat d'entrada i eixida.
- Sentit de gir i necessitat de mesura bidireccional.
- Espai disponible entre tractor i implement.
- Protecció ambiental requerida per a pols, fang, humitat o rentat.
- Tipus de sortida: tensió, corrent, CAN, USB o una altra interfície.
- Ample de banda i velocitat d'adquisició quan es volen estudiar transitoris o impactes.
- Necessitat de mesurar també les rpm per calcular potència.
- Requisits de calibratge i traçabilitat de l'assaig.
Aplicacions del mesurament de parell i potència PTO
Instrumentar directament la presa de força permet estudiar el comportament energètic real de pràcticament qualsevol màquina accionada mecànicament pel tractor. Entre les aplicacions més habituals hi ha:
- assaigs i homologació de maquinària agrícola;
- desenvolupament i validació de nous implements;
- mesurament de la demanda de potència de trituradores, segadores, empacadores i equips de conreu;
- comparació entre diferents configuracions de màquina;
- optimització de la relació tractor–implement;
- anàlisi d'eficiència energètica;
- identificació de pics de càrrega i sobrecàrregues mecàniques;
- investigació universitària i centres tecnològics;
- desenvolupament destratègies de control i agricultura de precisió;
- assaigs de durabilitat i caracterització de transmissions.
Mesurament dinàmic: més informació que un valor mitjà de potència
Un dels principals beneficis de col·locar el sensor directament a la transmissió és la possibilitat d'observar com canvia el parell durant el treball. Dos implements poden presentar una potència mitjana similar i, tanmateix, tenir comportaments dinàmics completament diferents.
Un sistema d'adquisició prou ràpid pot detectar pics de parell, oscil·lacions periòdiques, impactes, bloquejos momentanis o variacions associades al procés agrícola. Aquesta informació és important per dimensionar transmissions, embragatges, eixos i elements de protecció, i pot ajudar a identificar condicions de treball que no serien visibles mitjançant una mesura mitjana.
Preguntes freqüents sobre el mesurament de parell en una PTO
Com es calcula la potència de la presa de força a partir del parell?
Si es coneixen el parell a N·my la velocitat en rpm, la potència es pot calcular mitjançant P [kW] = T [N·m] × n [rpm] / 9550. Per això un sistema de mesura de potència PTO ha de registrar simultàniament parell i velocitat.
És el mateix mesurar per mesurar potència PTO?
No. El parell representa l'esforç torsional aplicat a l'eix. La potència incorpora a més la velocitat de rotació. Un mateix parell transmet diferent potència a 540 rpm que a 1.000 rpm.
Es pot mesurar el parell sense modificar internament el tractor?
Sí. Hi ha transductors dissenyats per instal·lar-se externament entre la sortida PTO i l'arbre de transmissió o l'equip d'assaig. La compatibilitat depèn de l'estriat, l'espai disponible i la geometria concreta de la instal·lació.
Quin rang de parell ha de tenir el sensor?
S'ha de seleccionar considerant el parell de treball previst i, especialment, els becs de càrrega. Utilitzar un rang excessivament gran pot reduir la resolució útil de la mesura, mentre que un sensor massa just es pot veure sotmès a sobrecàrregues.
Es pot utilitzar el sensor durant feines reals en camp?
Sí, sempre que el transductor, els acoblaments, el cablatge i el sistema d'adquisició estiguin especificats per a les condicions ambientals i mecàniques de l'aplicació. Per a treballs agrícoles són especialment rellevants la protecció davant d'humitat i brutícia, les vibracions, la temperatura i les càrregues transitòries.
Quina diferència hi ha entre una PTO de 540 i una de 1.000 rpm?
Són velocitats nominals de treball diferents. Per a un mateix valor de parell, una PTO de 1.000 rpm transmet més potència que una PTO de 540 rpm. El sensor seleccionat ha de ser compatible tant mecànicament com amb la velocitat màxima dassaig.
Conclusió: mesurar el parell PTO permet conèixer la potència realment transmesa
El mesurament directe de parell i velocitat sobre la presa de força proporciona una forma pràctica de conèixer la potència mecànica que el tractor lliura realment a l'implement. La validació publicada per Roeber i col·laboradors va demostrar que un transductor rotatiu correctament instal·lat i calibrat pot oferir resultats estretament correlacionats amb un dinamòmetre de laboratori.
La disponibilitat actual de sensors compactes, electrònica integrada i diferents interfícies industrials amplia encara més les possibilitats d'aquesta tècnica per R+D, assaigs de maquinària, agricultura de precisió, optimització energètica i monitorització de transmissions.
GUEMISA subministra sensors de parell NCTE i pot ajudar a dimensionar el transductor i l'electrònica d'adquisició en funció del parell, rpm, tipus de PTO, senyal requerit i condicions de treball de cada aplicació.
Referència tècnica
Roeber, JBW; Pitla, SK; Avui, RM; Luck, JD; Kocher, MF (2017). Tractor Power Take-Off Torque Measurement and Data Acquisition System. Applied Engineering in Agriculture, 33(5), 679–686. DOI: 10.13031/aea.11994.
El procediment experimental va ser desenvolupat al Nebraska Tractor Test Laboratory i va prendre com a referència els procediments aplicables a les proves de prestacions de tractors. Els codis d‟assaig de tractors de l‟OCDE continuen incloent la mesura de prestacions en la presa de força com un dels elements fonamentals de caracterització.