BR202017010814Y1 - Disposição construtiva em dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba e similares - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um dispositivo colhedor de frutos de macaúba, o qual emprega o princípio de vibrações mecânicas para realizar o desprendimento dos frutos. É um equipamento portátil manipulado por um operador, que trabalha diretamente no cacho da macaúba, com ação no sentido longitudinal da ráquis e ataque transversal ao sistema fruto-ráquila para viabilizar o desprendimento. O dispositivo deve operar em uma faixa de frequência de 23 a 24 Hz ou 37,5 a 39 Hz, e amplitude de 21 a 22 mm. O dispositivo vibratório colhedor de macaúba e similares é adequado para ser acoplado a diversos sistemas de motores portáteis. É um equipamento que tem a finalidade de facilitar, agilizar e baratear o custo e qualidade dos frutos praticados na colheita de macaúba.

Description

Campo técnico da invenção

1. O presente pedido de patente de modelo de utilidade refere-se a um dispositivo colhedor de frutos de macaúba, o qual emprega o princípio de vibrações mecânicas para realizar o desprendimento dos frutos. É um equipamento portátil manipulado por um operador, que trabalha diretamente no cacho da macaúba, com ação no sentido longitudinal da ráquis e ataque transversal ao sistema fruto-ráquila para viabilizar o desprendimento. O dispositivo deve operar em uma faixa de frequência de 23 a 24 Hz ou 37,5 a 39 Hz, e amplitude de 21 a 22 mm. O dispositivo vibratório colhedor de macaúba e similares é adequado para ser acoplado a diversos sistemas de motores portáteis. É um equipamento que tem a finalidade de facilitar, agilizar e baratear o custo e qualidade dos frutos praticados na colheita de macaúba.

Estado da técnica

2. A macaúba (Acrocomia aculeata (Jacq. Lodd. ex Mart.)) é uma palmeira que ocorre na forma nativa desde a América Central até o extremo sul do continente Americano. No Brasil, é a palmeira de maior dispersão, sendo encontrada em quase todas as regiões, principalmente, nos Estados de Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais (MOTOIKE, S. Y.; CARVALHO, M.; PIMENTEL, L. D.; KUTI, K. N.; PAES, J. M. V.; DIAS, H. C. T.; SATO, A. Y. A cultura da macaúba: implantação e manejo de cultivos racionais. Viçosa, MG: Ed. UFV, 2013; LORENZI, G. M. A. C.; PIMENTEL, L. D.; PAULA, S. R.; NEGRELLE, R. R. B.; PAES, J. M. V. Prospecção da cadeia produtiva dos frutos da palmeira macaúba no estado de Minas Gerais. Informe Agropecuário - EPAMIG. Belo Horizonte, v.32, n.265, p.41-51, 2011; CICONINI, G.; FAVARO, S.P.; ROSCOE, R.; MIRANDA, C.H.B.; TAPETI, C.F.; MIYAHIRA, M.A.M.; BEARARI, L.; GALVANI, F.; BORSATO, A.V.; COLNAGO, L.A.; NAKA, M.H. Biometry and oil contents of Acrocomia aculeata fruits from the Cerrados and Pantanal biomes in Mato Grosso do Sul, Brazil. Industrial Crops and Products, v. 45, p. 208-214, 2013). O principal produto dessa palmeira são os frutos oleaginosos com teores de óleo que podem chegar a 25% de sua massa, quando coletados no ponto de maturação ideal (fruto fresco) e com elevada qualidade para o seu processamento (CETEC. FUNDATION: R & D in biodiesel production: past and presente, 2005).

3. Todo o fruto é aproveitável - casca, polpa, castanha e amêndoa - e tanto a polpa quanto a amêndoa têm vasta utilização industrial, com maior ou menor valor agregado (PIRES, T. P., SOUZA, dos S. E., KUKI, K. N., MOTOIKE, S. Y. 2013. Ecophysiological traits of the macaw palm: a contribution towards the domestication of a novel oil crop. Industrial Crops and Products, v. 44, p. 200-210). Entretanto, grande parte da produção nativa de coco macaúba não é comercialmente explorada devido à falta de arranjos produtivos adequados. Todo processo agroindustrial necessita ser melhorado e há uma premente demanda por tecnologias que consolidem sua capacidade produtiva em escala, dentre as quais destacam-se a colheita e a pós-colheita. Apesar deste cenário, foram identificados no país, desde empreendimentos empresarias a comunitários que já processam o fruto dos maciços nativos, e que têm interesse e algumas iniciativas na linha de implantação de lavoura de macaúba.

4. A colheita de macaúba tem relevância no processo produtivo e na qualidade do produto final, visto que o fruto perde suas características quando permanece em contato com o solo. Atualmente, não existem equipamentos comerciais mecanizados adaptados e disponíveis para a colheita de macaúba, ou seja, a colheita é realizada geralmente de forma extrativista a partir da coleta dos frutos que caem no chão (SOUZA, C. F. T de S. Desenvolvimento, maturação e sistemas de colheita de frutos da macaúba (Acrocomia aculeata). Dissertação apresentada ao Programa de biotecnologia da Universidade Católica Dom Bosco, Campo Grande, 2013. 75 f.), com o uso de uma foice conectada em bambu para o corte dos cachos (CARVALHO, K. J.; SOUZA, A. L.; MACHADO, C. C. Ecologia, Manejo, Silvicultura e Tecnologia da Macaúba. UFV. Viçosa, MG. 2011), ou com o rebolo, que consiste no ato de jogar pedras ou similares no cacho, no intuito de desprender os frutos. Ambos os processos exigem numerosa e intensiva mão de obra. A colheita dos frutos têm sido, portanto, bastante onerosa e pouco eficiente. O cacho, depois de cortado, é coletado manualmente, o que mesmo com o uso de luvas, expõe o corpo do operador a um contato próximo com os espinhos contidos na parte superior da ráquis. Assim, fica evidente a necessidade de se empregar uma colheita mecanizada para sustentação do ciclo produtivo da macaúba, que está em ascensão. Nesse sentido, foi desenvolvido um dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba e similares, que desprende os frutos de macaúba por meio de vibrações mecânicas.

5. O dispositivo apresentado neste documento foi construído e testado. Verificou-se durante os testes aspectos relacionados à sua capacidade operacional. Os resultados dos testes realizados mostraram a viabilidade de colheita dos frutos da macaúba por meio de vibrações mecânica. A performance do dispositivo no processo de colheita foi satisfatória, viabilizando o equivalente a 12 vezes mais capacidade de colheita do que a colheita manual, praticada atualmente e cujo valor encontra-se por volta de 37,5 kg.h-1 (BRASIL, Ministério do Desenvolvimento Agrário - MDA. Diretrizes e recomendações técnicas de boas práticas de manejo para o extrativismo do fruto da macaúba/bocaiuva (Acrocomia spp.). Brasília/DF. Novembro de 2014. 52 p). Foi observado nos experimentos, eficiência de colheita média de 98%. O dispositivo é portátil, sendo possível a utilização em condições adversas de relevo, e por ter um custo baixo, atende às necessidades da agricultura familiar. Dessa forma, esse dispositivo contribui para o desenvolvimento da cadeia produtiva sustentável de óleos, pois atua em um dos principais gargalos do processamento dos frutos de macaúba, que é a colheita.

6. Foi realizada uma busca de anterioridades, não tendo sido encontrado nenhum dispositivo apropriado para colheita de frutos de macaúbas. No entanto, foram encontrados documentos de patentes de equipamentos que utilizam o sistema de vibração para colheita. Cada documento encontrado na busca de anterioridades foi criteriosamente averiguado, e verificou-se que não tiram a novidade e a atividade inventiva da tecnologia apresentada neste documento.

7. O documento de patente CN 203313693, Bionic-hand-vibration fruit picking device, apresenta um equipamento que não atende à morfologia dos cachos de macaúba, sendo impossível utilizá-lo para colheita dos frutos da palmeira. Não é possível acoplá-lo ao cacho para manejo de colheita.

8. O equipamento apresentado pelo documento de patente CN 205431080, embora seja também um cabeçote de colheita, tem por definição o movimento das varetas em sentido transversal ao proposto e observa-se falta de dimensionamento adequado para possibilitar o acoplamento e colheita. O mesmo ocorre com o documento de patente KR 928648 que não apresenta movimento vibratório no sentido adequado para a colheita de macaúbas. Já o dispositivo apresentado no documento de patente BR 112012014129 não utiliza do mesmo princípio para geração do movimento alternado.

9. Concluiu-se que a morfologia típica de um cacho de macaúbas exige um desenho geométrico específico na interface planta/dispositivo. Esse desenho foi desenvolvido, baseado nas características da palmeira macaúba, tendo como resultado o dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba e similares, aqui apresentado.

Descrição das figuras

10. Figura 1: Leiaute do conceito selecionado para o dispositivo colhedor de fruto de macaúba;

11. Figura 2: Componentes dos suportes e varetas do dispositivo;

12. Figura 3: Vista frontal (A) e lateral (B) do cabeçote completo - cabeçote com os suportes e as varetas;

13. Figura 4: Dimensões dos suportes do dispositivo colhedor de frutos de macaúba;

14. Figura 5: Dimensões dos componentes do dispositivo colhedor de macaúba

Descrição detalhada do modelo de utilidade

15. O dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba e similares (Figura 1) é constituído por uma unidade de alimentação (1), que pode ser um motor de combustão interna, à gasolina, 4T ou 2T, costal ou lateral, ou motor elétrico, com potência mínima de 0,88 kW e rotação de trabalho de 8500 a 11700 rpm, com sistema de transmissão de potência do motor às varetas (11), formado por eixo cardan flexível, eixo cardan rígido e acelerador; uma haste tubular (2) de comprimento mínimo de 1,50 metros, sendo possível utilização de hastes tubulares maiores, a depender do estágio de desenvolvimento da lavoura; o cabeçote de colheita (3) que é a parte do dispositivo utilizada na interface planta/máquina, adaptada à morfologia do cacho de macaúba, com quatro a oito varetas (11) vibratórias de fibra de vidro (11), que atuam diretamente nas ráquilas dos cachos, provocando o desprendimento dos frutos de macaúba. As varetas (11) são independentes, ou seja, cada uma pode ser substituída independentemente das outras. O cabeçote de colheita (3) proposto utiliza o princípio de vibração o qual é transmitido aos frutos a partir de um movimento ao longo da ráquis, sendo as ráquilas atacadas diretamente pelas varetas (11). O ataque às ráquilas favorece a transmissão de energia para o sistema e promove o desprendimento dos frutos.

16. No Quadro 1 é mostrado os componentes do dispositivo colhedor de macaúbas e similares. Quadro 1. Lista de componentes do dispositivo colhedor de frutos de macaúba.

17. Os suportes para as varetas (4) são constituídos por duas peças idênticas, com superfícies simétricas cada uma, com quatro conexões com rosca (13) para as varetas (11). Cada vareta (11) é acoplada a uma porca das varetas (10), que inclui uma bucha de nylon (9) interna a cada porca, para evitar folgas. As porcas das varetas (10) possuem roscas consonantes com a rosca das conexões (13) dos suportes. O ângulo de cada lado do suporte (Figura 4), em relação ao plano vertical pode estar entre 68° a 90°, fazendo com que o ângulo entre as varetas seja de 0° a 24° após sua montagem (Figura 3). Para a conexão dos suportes com o cabeçote são necessários dois furos com dimensões apropriadas ao cabeçote (12). As arruelas de nylon (7) são necessárias para suprir a folga entre os suportes das varetas (4) nos furos mais internos e o cabeçote genérico (3). Esses furos internos são fixados com elos (8), pois são os pontos de movimento. A porca (5) e contra porca (6) dos suportes são necessárias para fixar os furos externos e tem dimensões adequadas para suprir a folga entre os suportes (4) e o cabeçote (3) genérico. Essa conexão externa é o ponto fixo.

18. Os suportes para varetas (4) foram construídos em aço inox; as porcas (5) de fixação das varetas em latão; e varetas (11) de fibra de vidro com resina. As buchas (9) e arruelas (7) de nylon. Foi determinada, de forma detalhada, a geometria e as dimensões das peças constituintes de cada um (Figuras 2, 3, 4 e 5).

Experimento de demonstração Avaliação do desempenho operacional do dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba

19. O dispositivo colhedor de macaúba foi avaliado com a finalidade de caracterizar o desempenho de colheita, bem como observar o desempenho dos mecanismos projetados de um dispositivo colhedor de frutos de macaúba, que funciona pelo princípio de vibrações mecânicas. As características observadas para caracterização da área experimental foram: espaçamento das plantas, idade das plantas, altura dos cachos nas plantas, e tamanho dos cachos. A unidade experimental foi constituída por um cacho de macaúba presente em uma planta.

20. Para cada cacho de macaúba, foram registrados, em campo, as seguintes características e dados durante o processo de colheita:

21. - Altura do cacho ao chão;

22. - Tamanho do cacho;

23. - Tempo gasto na colheita (s);

24. - Número de frutos desprendidos do cacho da planta (unid);

25. - Número de frutos que permaneceram no cacho após a colheita (unid);

26. - Número de frutos colhidos com danos leves;

27. - Número de frutos colhidos com danos graves;

28. Foi determinada a carga pendente da unidade experimental (o cacho), a capacidade de derriça e a eficiência de derriça.

Capacidade de colheita

29. Foi determinada pela relação entre o número de frutos colhidos e o tempo despendido durante o processo (equação 1). Para a determinação da capacidade de colheita, foram colocados panos de derriça sob a copa das plantas. Em seguida, operou-se o dispositivo e após sua passagem, os frutos de macaúba que se desprenderam do cacho e caíram no pano foram coletados e pesados.

30. em que,

31. Cc = a capacidade de colheita (kg/h);

32. nc = massa dos frutos colhidos (kg);

33. tc = tempo de colheita (s).

Eficiência de colheita

34. A eficiência de colheita representa a quantidade dos frutos desprendidos em função da carga pendente antes da colheita. A eficiência de colheita foi determinada com base na razão entre o número de frutos colhidos e a carga pendente de frutos presentes no cacho (equação 2). A carga pendente das plantas foi determinada somando-se o número de frutos colhidos e o número de frutos não-colhidos. A unidade de carga pendente foi determinada em unidades de frutos por cacho de macaúba.

35. Para fins da eficiência de colheita, definiu-se que o operador deveria parar a derriça assim que tentasse por mais de três passadas sem queda dos frutos e ainda estivesse com carga no cacho. Para auxiliar na determinação da eficiência de colheita, foram colocados panos de derriça na área de colheita. Em seguida, operou-se o dispositivo e, após sua passagem, os frutos de macaúba que se desprenderam do cacho e caíram no pano foram coletados e contados. Foram contabilizados os frutos que não se desprenderam do cacho.

36. em que,

37. 8 = eficiência de colheita (%);

38. np = número dos frutos não colhidos (unidades);

39. nc = número de frutos colhidos (unidades).

Consumo de combustível

40. O consumo de combustível total foi verificado diretamente no tanque de combustível, por diferença de volumes medidos no final de cada um dos três turnos de trabalho, utilizando proveta graduada com precisão de 1 mL.

Consumo horário de combustível

41. O consumo horário de combustível foi obtido pela equação 3.

42. em que,

43. Ch = consumo horário de combustível (L/h);

44. C = consumo de combustível medido (L);

45. tc = tempo de colheita (s).

Consumo específico de combustível

46. O consumo específico de combustível foi determinado pela equação 4.

47. em que,

48. Ce = consumo horário de combustível por frutos colhidos (mL/número de frutos colhidos);

49. Ch = consumo horário de combustível (L/h);

50. Cc = a capacidade de colheita (Kg/h);

Danos mecânicos causados aos frutos

51. Foram vistoriados e mensurados os danos causados aos frutos devido a sua interação com as varetas vibratórias. Os danos nos frutos de macaúba foram classificados como leves ou graves. Os danos leves são aqueles que resultaram em lesões no epicarpo do fruto sem promover o seu rompimento. Os danos graves são aqueles que danificaram o epicarpo, causando a exposição do mesocarpo do fruto. Depois de classificar os danos, foi realizada a contagem de frutos colhidos de macaúba, com danos leves e com danos graves.

Análise Estatística

52. O experimento foi montado em esquema fatorial 23, segundo delineamento inteiramente casualizado (DIC). Foram considerados os seguintes fatores: estádio de maturação (maduro e semi-maduro), forma de aceleração (continua e variável) e número de varetas (quatro e oito). As variáveis avaliadas foram: capacidade de colheita e eficiência de colheita. As variáveis foram comparadas pelo teste de Tukey a nível de 5% de significância. Realizou-se uma análise descritiva dos dados.

53. Para fins de especificação dos 8 tratamentos realizados foram considerados os seguintes fatores: estádio de maturação dos frutos (maduro e semi-maduro), forma de aceleração do motor (contínua e variável) e número de hastes utilizadas (quatro ou oito), de acordo com o Quadro 2.Quadro 2 - Tratamentos e fatores considerados no experimento.

54. De forma complementar, realizou-se uma análise na qual os tratamentos foram constituídos por plantas de diferentes estados, especificamente, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais. Os tratamentos foram comparados por meio de análise de variância com nível de significância de 5%, empregando-se 4 repetições. Para a realização dos procedimentos e análises estatísticas foi utilizado o programa computacional R (R DEVELOPMENT CORE TEAM, 2012).

Resultados e discussão

55. A Tabela 1 mostra os resultados obtidos no ensaio em campo.Tabela 1. Resultados do ensaio de campo com o dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba.

56. Comparando-se com a coleta extrativista tal como vêm sendo realizada nos maciços nativos, no melhor cenário, com estimativa de 1.000 frutos por hora, por família, ou seja, capacidade de colheita igual a 37,5 kg.h-1 (BRASIL, Ministério do Desenvolvimento Agrário - MDA. Diretrizes e recomendações técnicas de boas práticas de manejo para o extrativismo do fruto da macaúba/bocaiuva (Acrocomia spp.), o valor do primeiro quartil, para capacidade de colheita (241,4 kg.h-1), representando 25% de ocorrência nos ensaios, já aumenta em seis vezes a capacidade de trabalho. Se considerarmos a média 434,09 kg h- 1, então seria 12 vezes mais.

57. Em relação à análise exploratória dos dados, observou-se que a mediana da capacidade de colheita (399,08 kg.h-1) tem valor menor do que a média geral (434,09 kg.h-1). Isso quer dizer que a maior parte dos valores da variável capacidade de colheita no ensaio realizado está com valores mais baixos, tendo apenas alguns poucos valores maiores, que acabam alterando a média para um valor maior. A maior parte dos valores obtidos para capacidade de colheita estão na faixa entre 200 kg.h-1 e 400 kg.h-1, o que corresponde a 34,3% dos casos observados. Observou-se que 50% dos valores estão na faixa de 190 a 600 kg.h-1. Os dois menores valores obtidos em campo para capacidade de colheita foram 77,1 e 79,64 kg.h-1, casos do tratamento 6 (maduro, aceleração contínua, com oito varetas), correspondentes à dois cachos com alteração na forma dimensional, causada pela compressão dos frutos.

58. Para a eficiência de colheita, os ensaios encontraram valor da média (94,1%) menor do que o valor da mediana (96,64%). A eficiência mínima encontrada foi de 52,46%. Observou-se que 50% dos valores da série eficiência de colheita estão dentro da faixa que vai de 92% a 98%. Constatou-se que 87,5% dos casos observados tiveram eficiência maior que 90%. Apenas 25% dos dados, tem eficiência menor que 92,58% (quartil). E 75% dos dados tem eficiência igual ou superior a 98,19% (quartil).

Consumo de combustível

59. O consumo horário de combustível foi de 0,86 L.h-1, que representa o consumo médio do dispositivo nas condições de trabalho durante o ensaio. Utilizando-se do valor da média da capacidade de colheita, obteve-se o valor de 1,79 mL.kg-1, ou 0,00179 L.kg-1 para consumo específico de combustível.

Danos mecânicos aos frutos de macaúba colhidos mecanicamente

60. Foram identificadas injúrias mecânicas leves em 15,27% do total de frutos colhidos, e danos graves em 10,61% dos frutos. A importância de se focar nos danos mecânicos dos frutos colhidos, baseia-se nas consequências da qualidade do produto final na cadeia produtiva. Sabe- se que problemas na integridade da casca da macaúba, facilitam o acesso de microrganismos a polpa (SOUZA, C. F. T. de,. Desenvolvimento, maturação e sistemas de colheita de frutos da macaúba (Acrocomia aculeata). Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Católica Dom Bosco como parte das exigências do programa de pós-graduação em Biotecnologia para obtenção do título de Magister Science. 75 f. Campo Grande, 2013). No caso de danos leves, como não houve a exposição do mesocarpo, não são esperadas significativas alterações nas características e na qualidade dos frutos, como consequência da colheita. Isso é esperado, visto que os frutos não permanecerão em contato com o solo, sendo recolhidos imediatamente e transportados para o processamento da pós-colheita.

61. Quando há dano grave, há exposição do mesocarpo, o que aumenta a suscetibilidade a patógenos. Isso pode facilitar a contaminação por microrganismos, que provocam deterioração e comprometem a qualidade dos frutos e dos seus óleos (MOTA, C. S., CORRÊA,T. R., GROSSI, J. A. S., CASTRICINI, A., RIBEIRO, A. da S.. Exploração sustentável da Macauba para a produção de biodiesel: colheita, pós-colheita e qualidade dos frutos. Informe Agropecuário, 32, 41-51. 2011).

Conclusão

62. Com base nos resultados encontrados e na metodologia utilizada, a forma de vibração proposta para o dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba, é considerada adequada para atender ao arranjo de colheita tal como ocorre atualmente em empreendimentos agroindustriais. O melhor resultado do dispositivo apresenta eficiência média de derriça de 98%, índice satisfatório para máquinas utilizadas em colheita de frutos. A capacidade de colheita média global foi de 434,09 kg.h-1, o que corresponde a 12 vezes a capacidade de colheita manual, praticada atualmente.

Claims (1)

1. Disposição construtiva em dispositivo vibratório colhedor de frutos de macaúba e similares composto por unidade de alimentação (1), haste tubular (2), cabeçote (3), que compreende 4 a 8 varetas vibratórias (11) montadas de forma independentes, acopladas cada uma em uma porca (10), que possui roscas consoantes com as roscas das conexões (13) dos suportes (4) e bucha interna (9); porcas do suporte (5), contra porcas do suporte (6), arruelas (7), elos (8), e furos internos (12), para fixação do suporte das varetas (4) no cabeçote (3) caracterizado por os suportes das varetas (4) serem constituídos por duas peças idênticas, com superfícies simétricas, com quatro conexões com rosca cada uma, e por o ângulo de cada lado dos suportes em relação ao plano vertical ser entre 68° e 90° e o ângulo entre as varetas ser de 0° a 24°.

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