Projeto de um sistema de semeadura por puncionamento

Abstract

A mecanização agrícola brasileira demanda sistemas de plantio cada vez mais eficientes, capazes de operar em grandes áreas com alta produtividade e menor consumo energético. Os mecanismos convencionais de abertura de sulco por discos apresentam elevadas forças de arrasto, exigindo tratores de maior potência e aumentando o consumo de combustível. Este trabalho apresenta o projeto e análise de um sistema alternativo de semeadura baseado em mecanismo biela manivela com haste perfurante por puncionamento do solo. A metodologia envolveu caracterização mecânica do solo através de ensaios de cisalhamento direto, modelagem cinemática e dinâmica do mecanismo, dimensionamento estrutural e simulação por elementos finitos. Os ensaios laboratoriais forneceram a resistência ao cisalhamento não drenada do solo, utilizada para estimar as forças resistentes à penetração da haste. A análise cinemática determinou os perfis de posição, velocidade, aceleração e jerk da haste ao longo do ciclo de operação para diferentes culturas agrícolas. A análise dinâmica revelou torque máximo de 12 Nm no eixo da manivela para operação com soja, considerando velocidade angular de 220,59 rad/s. As simulações numéricas indicaram tensões máximas de 30 MPa, fatores de segurança superiores a 2,86 e vida em fadiga acima de um milhão de ciclos. Os resultados demonstram a viabilidade estrutural do mecanismo proposto, embora indiquem a necessidade de redução da velocidade angular e adequação do sistema de transmissão para aplicação prática em campo, visando compatibilizar as demandas de torque e potência com a capacidade dos tratores agrícolas convencionais.

Brazilian agricultural mechanization demands increasingly efficient planting systems capable of operating over large areas with high productivity and lower energy consumption. Conventional furrow opening mechanisms using discs exhibit high draft forces, requiring higher power tractors and increasing fuel consumption. This work presents the design and analysis of an alternative seeding system based on a slider-crank mechanism with a punching drill rod. The methodology involved mechanical characterization of soil through direct shear tests, kinematic and dynamic modeling of the mechanism, structural design and finite element simulation. Laboratory tests provided the undrained shear strength of the soil, used to estimate the penetration resistance forces on the rod. Kinematic analysis determined the position, velocity, acceleration and jerk profiles of the rod throughout the operation cycle for different agricultural crops. Dynamic analysis revealed a maximum torque of 12 Nm on the crank shaft for soybean operation, considering an angular velocity of 220.59 rad/s. Numerical simulations indicated maximum stresses of 30 MPa, safety factors above 2.86 and fatigue life exceeding one million cycles. The results demonstrate the structural feasibility of the proposed mechanism, although they indicate the need for reduction of angular velocity and adaptation of the transmission system for practical field application, aiming to match torque and power demands with the capacity of conventional agricultural tractors.