Development and modeling of harvesting systems of coffee fruits

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de se analisarem um sistema de derriça e outro de abanação dos frutos do cafeeiro, visando utilizá-los em cafeicultura de montanha. Foram determinadas as propriedades físicas do cafeeiro e do fruto que influenciam na derriça por vibração, tais como: o diâmetro médio do galho, o comprimento e diâmetro do pedúnculo, o número de frutos verdes, cerejas e passas derriçados, a massa dos frutos e seus respectivos volumes. Foram estudados também, os efeitos da freqüência e amplitude de vibração e do comprimento do galho do cafeeiro sobre a derriça dos frutos de café, nos estádios de maturação verde, cereja e passas. Foi avaliada também, a influência da freqüência e da amplitude de vibração e da localização dos frutos no ramo plagiotrópico sobre o tempo, a força aplicada ao pedúnculo e o número de ciclos necessário ao desprendimento desses de cafeeiros Catuaí Vermelho e Catucaí Amarelo. Uma máquina vibradora foi desenvolvida para a realização dos ensaios de derriça. Foram utilizadas quatro freqüências (13,3; 15,0; 18,3 e 20,0 Hz) e três amplitudes (11, 22 e 33 mm) de vibração e dois comprimentos de galho do cafeeiro (100 e 400 mm). Para determinar o tempo que os frutos levavam para serem derriçados, a força aplicada ao pedúnculo e o número de clicos necessários para o desprendimento, os galhos foram cortados e preparados, de forma que apenas um fruto fosse colocado na máquina em cada teste. Após esse ensaio, foram testados os galhos com dois tamanhos num intervalo de 10 segundos. Foi avaliada a influência do estádio de desenvolvimento e da variedade do cafeeiro sobre o desempenho de uma derriçadora portátil durante a colheita. Essa avaliação foi realizada, utilizando-se três diferentes operadores, quatro idades e duas variedades de cafeeiro. Foram avaliadas as características dos cafeeiros, as curvas características do motor da derriçadora, a capacidade e a eficiência de derriça, o consumo de energia, a desfolha, o índice de perdas e o nível de ruído emitido pela máquina. A colheita manual dos frutos foi acompanhada simultaneamente com os testes da derriçadora. Foi modelado o comportamento dinâmico de um sistema de peneiras e de vibração de uma abanadora, utilizando-se a técnica de simulação de sistemas mecânicos. Nas simulações, foram utilizadas informações como as posições iniciais da caixa das peneiras e do eixo excêntrico, as dimensões da caixa das peneiras e do eixo excêntrico, as velocidades angulares do eixo excêntrico e o ângulo de inclinações das peneiras e do eixo excêntrico. Os modelos foram simulados com amplitudes de 10, 20 e 30 mm e rotações de 300, 350 e 400 rpm. Foram obtidos o deslocamento, a velocidade e a aceleração linear e angular do sistema de peneiras. A capacidade de transporte do sistema de vibração simulado foi avaliada por meio do coeficiente do modo de operação, em função da amplitude e da freqüência de vibração das peneiras. O desenvolvimento da máquina de abanação foi realizado com base nas características e propriedades físicas dos frutos, e as características aerodinâmicas dos frutos do cafeeiro, determinados experimentalmente. A máquina foi formada basicamente por um ventilador e por uma caixa de duas peneiras acionadas por um sistema de vibração. O ventilador foi localizado na estrutura de forma que houvesse fluxo de ar na parte inferior da moega de alimentação da máquina, visando a retirada das folhas e impurezas leves, para melhorar a eficiência de separação das peneiras. Foram realizados ensaios com três amplitudes de oscilação (10, 20 e 30 mm), duas velocidades do ar do sistema de ventilação (13 e 16 m s -1 ) e duas rotações do ventilador (1720 e 1500 rpm). As amplitudes de vibração de 22 e 33 mm e as freqüências de vibração de 18 a 20 Hz proporcionaram maior eficiência de derriça e menores tempos de derriça dos frutos de café. O efeito de fadiga provocado no pedúnculo pelo número de ciclos fez com que o desprendimento fosse, para forças aplicadas aos pedúnculos, 18 vezes menor que a resistência desse à tração. A posição dos frutos no ramo plagiotrópico não influenciou o tempo de derriça. Galhos mais longos dificultam o processo de derriça. A derriçadora portátil teve desempenho satisfatório por apresentar menor desfolha e número de galhos quebrados que a colheita manual, capacidade de derriça duas vezes maior, baixo consumo específico de energia e eficiência de derriça semelhante à manual. O nível de ruído aumentou com o aumento da potência requerida na derriça. O operador apresentou pouca influência no desempenho da derriçadora portátil. O uso da técnica de simulação dinâmica aplicada à análise de sistemas de separação de frutos do cafeeiro mostrou-se capaz de prever o comportamento do sistema com detalhes. A máquina de abanação foi desenvolvida com sucesso e o índice de perda total por deficiência de separação obtido com o uso da abanadora foi considerado satisfatório, por apresentar valor médio de 0,55%. A capacidade de separação, a potência requerida na separação e a eficiência de separação dos frutos do cafeeiro aumentaram com o incremento na amplitude de oscilação das peneiras da abanadora e na velocidade do ar do ventilador. Não houve influência da rotação do ventilador sobre a capacidade de separação, a eficiência de separação, a potência requerida e o consumo específico de energia da separação dos frutos do cafeeiro. A capacidade de separação dos frutos, o índice de perda e o índice de impureza no produto final aumentaram com o aumento da taxa de alimentação de material diferente de fruto, enquanto diminuíram o consumo específico de energia e a eficiência de separação dos frutos. Os equipamentos avaliados apresentam-se como boa opção para serem utilizados na cafeicultura de montanha, visto mostrarem elevada eficiência e baixo consumo energético, fácil transporte e rendimento satisfatório para a atividade.The objective of this work was to analyze systems for coffee harvesting including the fruit detachment and fruit cleaning. Physical properties of the coffee plants and the coffee fruits, such as: the branch diameter, the stalk length and diameter, the number of green, cherries and over ripen detached fruits, the fruit mass and volumes were obtained. The effect of the frequency and amplitude of vibration and the branch length of the coffee plant on the detachment process of the coffee fruits were studied for different maturation stadiums. The influence of the frequency and amplitude of vibration and the fruits location in the coffee branch on the time necessary for the detachment, the applied force to the stalk and the number of cycles for detachment were evaluated. A machine was developed to accomplish the vibration tests. Coffee plants of the Catuaí Red and Catucaí Yellow varieties were used. The tests were accomplished under three oscillation amplitudes: 11, 22 and 33 mm. Four vibration frequencies were tested: 13.3, 15.0, 18.3 and 20.0 Hz, for each case. To determine the detachment time, the applied force to the stalk and the number of cycles for the detachment, the coffee branches with only one fruit were cut and placed in the machine. The detachment time of the coffee fruit was determined for each test. In the tests, coffee branches with two lengths: 100 and 400 mm were collected. The test durations were 10 s. The performance of a portable harvester for fruit detachment was evaluated in mountain coffee fields for plants with different ages. The performance evaluation of the portable harvester was accomplished using three different workers, four plant ages and two coffee varieties. The coffee plant characteristics, the curve characteristics of the portable harvester engine, the detachment capacity and efficiency, the specific energy consumption, the mechanical damage and the noise level emitted by the machine were evaluated. A comparison between the manual and mechanical detachment of coffee fruits was accomplished. The tests were done in plants of the variety Catucaí with different ages of the plants (4, 6 and 10 years). The comparison includes the evaluation of the detachment capacity and efficiency, the leaf losses and the number of broken branches during the harvesting process. The vibration amplitudes of 22 and 33 mm and the vibration frequencies of 18 and 20 Hz provided higher efficiency and smaller detachment times and cycle numbers for the fruit detachment. Due to the fatigue caused to the stalk, the fruits detachment happened at an applied force 18 times smaller than those required in traction force necessary for removing the coffee fruit from the branch. No influence of the coffee cherries location in the branch was observed on detachment time and cycle numbers. The over ripen cherries demanded less time to be removed than those of the green and ripe cherries. The detachment of coffee cherries decreased with the increase in coffee branches length. The portable harvester presented satisfactory performance when compared to the manual harvesting resulting in less mechanical damage and number of broken branches, detachment capacity twice higher. The portable harvester presented low specific energy consumption and high detachment efficiency. The noise level increased with the increase of the power requirement. The operator presented little influence in the machine performance. The detachment efficiency was not influenced by the used harvesting system, mechanical or manual, independently of the age of the plants. The detachment accomplished manually provided higher leaf losses and higher number of broken branches than the mechanical detachment. The second part of the work was the development of a coffee fruits pre-cleaning machine. The study of the dynamic behavior of the sieves vibration system was accomplished. A model was simulated using the mechanical systems simulation technique. The input data used were the initial positions and dimensions of the sieves and the eccentric axis; the angular speeds of the eccentric axis; and the inclination angle of the sieves and the vibration plan. The models were simulated with amplitudes of 10, 20 and 30 mm and rotations of 300, 350 and 400 rpm. The displacement, speed and linear and angular acceleration of the sieves were obtained. The conveying capacity of the vibration system was evaluated through the operation coefficient as a function of the amplitude and frequency of vibration of the sieves. The development of the pre-cleaning machine was accomplished using the physical properties and the aerodynamic characteristics of the coffee fruits. The pre-cleaning machine had a fan and two vibrating sieves. The fan was located in the lower part of the feed pit, for removing leaves and light impurities to improve the separation efficiency of the sieves. Tests were accomplished under three oscillation amplitudes (10, 20 and 30 mm), two air speeds of the ventilation system (13 and 16 m s - ) and two angular velocities (1500 e 1720 rpm) of the fan rotor. The field tests performed with the developed cleaning machine showed the machine behaved well. The loss index obtained was considered satisfactory, presenting medium value of 0.55%.The fruits losses caused by the machine were evaluated. The use of the dynamic simulation applied in the systems analysis of fruits separation predicted well the behavior of the system. The separation capacity, the power needed for separation, the separation efficiency of the fruits increased with the increment in the oscillation amplitude of the sieves and in the air speed of the fan. There was no influence of the fan rotation on the separation efficiency, the power requirement and the specific energy consumption. The separation capacity, the fruit losses and the material-other-than-fruit in the final product increased with the increase of the feeding rate of the pre-cleaning machine, while the specific energy consumption and the separation efficiency of the fruits decreased. The tested equipments are a good option for be used in the coffee field located in mountain areas, because they present high efficiencies and low consumption energy, and they are easy to transport and has satisfactory performance.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic