Aplicación de Norma VDI 2221-Converted

VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

METODOLOGÍA DE DISEÑO APLICADA A LA OBTENCIÓN DE UNA MÁQUINA VENTEADORA DE GRANOS Alencastre Miranda Jorge: Malpartida de la Cruz Iván Pontificia Universidad Católica del Perú Av. Universitaria cdra. 18 s/n, San Miguel. Lima, Perú Email: [email protected] Email: [email protected]

RESUMEN El trabajo que se expone a continuación, es un compendio de todo el proceso seguido durante el diseño mecánico orientado a la obtención de una máquina agrícola (máquina venteadora de trigo y cebada). Se muestra el proceso metodológico que se inicia con la determinación de una necesidad, el procedimiento seguido durante la búsqueda de la solución al problema, hasta la consecución de la solución adecuada a la necesidad. El diseño de máquinas agrícolas, tendrá como lineamiento principal, la búsqueda de la simplicidad del producto, manteniendo como objetivo la elaboración de una herramienta de trabajo para el productor agropecuario del sector rural, la cual tendrá que satisfacer la necesidad planteada, ser asimilada con facilidad y conseguir así la difusión posterior de esta herramienta, todo esto bajo el concepto de tecnologías apropiadas. La propuesta presentada, busca impulsar la implementación y utilización de la tecnología mejorada aplicada en los procesos productivos empleados en la actualidad actualidad por el productor del sector rural. Con la implementación de nuevas tecnologías, se persigue mejorar las condiciones de vida de diversos comunidades rurales, impulsando su producción y consecuentemente su desarrollo.

Palabras claves: Metodología de diseño , Estructura de funciones, Matriz morfológica. Área temática principal: F.1 Formación y enseñanza de la ingeniería mecánica

INTRODUCCIÓN Durante el proceso de diseño de máquinas agrícolas, se empieza por la definición de la necesidad que debe satisfacerse, la cual debe remarcarse para hallar su correcta solución. El tema bajo estudio es el proceso de venteo de las plantas gramíneas, es decir de granos (avena, trigo, cebada) el cual en la actualidad es realizado en forma manual por los campesinos delo sectores rurales del país, exponiendo el producto al aire aire libre para la limpieza de los granos granos de la broza o residuo no útil Habiendo así definido la necesidad, se procederá con la descripción de las exigencias a los cuales será sometido el diseño de la máquina así como los objetivos que quieren lograrse con ella.

DESCRIPCION DEL PROBLEMA Justificación El venteo como proceso de limpieza de los productos como trigo o cebada, representa una actividad de suma importancia, no solo para el mejoramiento de la calidad del producto, sino también para: Evitar la acumulación de humedad causada por la broza, la cual dañaría el producto Evitar la aparición de microorganismos e insectos en la cubierta natural del grano. Facilitar la manipulación, el transporte y almacenaje del producto. Permite el secado de los productos en equipos de alta temperatura, donde la broza se comportaría como combustible. Permite la producción de productos secundarios industrializables, como la broza no húmeda.

Tecnología existente El proceso típico de limpieza de grano usado por los campesinos es el venteo, que consiste en la exposición de los granos a las corrientes de aire y para tal objeto se acondicionan lugares al aire libre. El proceso llevado de esta manera, condiciona la producción final fi nal a la cantidad de personas trabajando, el tiempo de trabajo y al clima. Así por ejemplo, un estudio previo realizado en Limatambo (Cusco), cinco personas trabajando de 4 a 10 horas diarias durante dos días solo pudieron obtener unos 400 a500 kg de grano limpio. Esto muestra que el proceso no solo es poco productivo, sino que expone al campesino a un gran desgaste físico y al ingreso accidental de partículas a sus ojos y boca. Otras técnicas usadas por ejemplo es el uso de zarandas, hechas por los mismos campesinos, pero exige un gran desgaste físico, tiempo y expone al campesino a las partículas ligeras. También se encuentra la limpieza por ventiladores, pero esta no logra eliminar las impurezas más pesadas que el grano. Y por último están las zarandas cilíndricas rotativas, que aunque son muy efectivas, estas son destinadas a la producción industrial, pero debido a su elevado coste no es accesible para un campesino con una pequeña producción artesanal.

Aplicaciones del diseño La maquina venteadora de gramíneas deberá satisfacer la necesidad de producir granos limpios para pequeños volúmenes de producción de manera rápida., eficiente así como co mo de un coste accesible para los productores rurales.

OBJETIVOS Objetivo general Mejorar la rapidez y calidad de la producción de granos limpios de manera que se disminuya el excesivo trabajo físico y la exposición de campesinos a partículas pequeñas.

Objetivo específicos Obtención de una maquina venteadora de fácil fabricación, capaz de poder desarrollarse en comunidades de bajos recursos económicos. Debe ser capaz de funcionar con la energía disponible en las zonas rurales, siendo estas la humana y la animal, buscando que esta siempre sea la mínima posible y que opere para pequeños volúmenes de producción.

La maquina debe poseer un grado de eficiencia tal, que no permita que el volumen de grano perdido durante la limpieza supere el 5% del volumen total. El peso y tamaño deben ser pequeños para poder ser de fácil transporte y para que el operario no necesite subir sobre otros componentes para poder manipularla. La fabricación y el montaje deben ser simples, de manera que solo se necesite un taller sencillo y herramientas poco sofisticadas ni conocimientos técnicos avanzados.

METODOLGIA DE DISEÑO A continuación se detalla el procedimiento sistemático de diseño según la norma VDI 2222 hoja1, la cual se inicia con la elaboración de una lista de exigencias (es una forma de contrato entre el cliente y el diseñador)

Lista de exigencias Pag: 1 de 1 Revisado NO DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA MÁQUINA VENTEADORA PARA TRIGO Y CEBADA

LISTA DE EXIGENCIAS

PROYECTO: Nº

Deseo (D) Exigencia(E)

Descripción

Responsable

FUNCIÓN PRINCIPAL 1 E

2 E 3 E 4 E

5 E

Separar la mezcla de trigo y broza, estando la mezcla limpia (sin piedrecitas ni terrones) y apta apta para ser procesada (madura) (madura)

IvanMalpartida

Producir al menos 60kg/h de grano limpio a partir de 100 kg/h de mezcla (30% de broza)

IvanMalpartida

Longitud de la paja no mayor a 15 cm Pérdidas del trigo menores al 5% ENERGÍA Tener como fuente a la energía e nergía humana, mínimo la suministrada por una mujer. ERGONOMÍA-ANTROPOMETRÍA

IvanMalpartida IvanMalpartida

Iván Malpartida

6 D

El usuario deber ser capaz de alimentar a la maquina con mezcla a limpiar, sin la ayuda de escaleras o similares.

IvanMalpartida

7 D

Grupo de trabajo máximo de dos personas.

IvanMalpartida

8 D 9 D

10 11

D

12

E

13

D

E

USO Debe ser operación sencilla y no requerir especialización técnica Los residuos (broza) de la operación o peración no deber esparcirse sobre el operador. TRANSPORTE Su transporte, a través de un área rural, debe ser posible por no más de dos personas Su transporte no debe involucrar un gran cambio en su geometría global FABRICACIÓN Debe ser posible en un taller rural, r ural, con el uso de maquinas herramientas, sin equipos de precisión (CNC,etc) y con componentes accesibles en el mercado nacional. Esta operación no debe exigir al fabricante conocimientos técnicos especializados




PESO 14

D

15 16

E D

17

E

Debe ser alrededor de los 80 kg ENSAMBLAJE Montaje y desmontaje solo con herramientas usuales en un taller rural. Esta operación no debe exigir conocimientos técnicos especializados MANTENIMIENTO Deber ser posible con insumos y accesorios usuales en un taller rural. Deber ser básicamente engrase y limpieza. COSTO

D

18

El prototipo deber costar menos de US $450

D

IvanMalpartida IvanMalpartida IvanMalpartida IvanMalpartida IvanMalpartida

IvanMalpartida

Estructurad de funciones Caja negra SEÑAL

SEÑAL ENERGÍA

CAJA NEGRA

ENERGÍA

MATERIAL

MATERIAL

ENTRADA

SALIDA

Fig. 1. Abstracción de caja negra. negra.

Caja negra:

Maquina venteadora de trigo y cebada

Entrada: Señal: Energía: Material:

Inicia el funcionamiento de la máquina Energía mecánica suministrada por el operario hacia un mecanismo de transmisión Mezcla de broza y granos, aptas para el proceso

Salida: Señal: Energía: Material:

Indicador de un buen funcionamiento. Vibraciones, energía cinética y calor. Granos limpios Broza (desperdicio)

Procesos técnicos La secuencia de operaciones iniciará con el ingreso de la mezcla a la máquina, la cual ira a un ducto de aire donde se buscará acondicionarla para una fácil separación (Formación de dos capas). Luego se procederá a separar el grano limpio limpio de la broza siendo ambas almacenadas o solo el grano grano limpio.

Aplicaciones de los sistemas técnicos y sus limitaciones Para la obtención de una fuente de viento para la separación del grano limpio de la broza, br oza, debemos considerar las fuentes energéticas disponibles, en este caso la fuente será humana. Siendo la energía humana algo pequeña, se deberá d eberá contar con mecanismos de transmisión muy eficientes para el aprovechamiento máximo máximo de esta.

Estructura de funciones general

Matriz Morfológica FUNCIONES MECANISMOS DE TRANSMISIÓN

BICICLETA Y MANIVELA ANIVELA BICICLETA

MEC. DE 4 BARRAS

ALMACENAR

TOLVA ALIMENTAR

FAJAS SIN FIN ALIMENTADOR VIBRATORIO ACONDICIONA R

PUAS SEPARADORAS

HORQUETAS

FAJAS SIN FIN Y PUAS SEPARADORAS

TORNILLO SIN FIN

MANUAL (Acción ejecutada por uno de los usuarios)

SEPARAR

FLUJO DE AIRE HORIZONTAL

FLUJO DE AIRE VERTICAL

FLUJO DE AIRE OBLICUO

PESO ESPECIFICO

ZARANDA Y FLUJO DE AIRE

ALAMCENAR

GRANOS Y BROZA

Concepto 1

GRANOS (Porgravedadespecífic a)

Concepto 2

Concepto 3

GRANOS

Concepto 4

Concepto 5

Concepto de solución 1






Concepto 6

CONCEPTO ÓPTIMO Bosquejo y descripción de propuestas Teniendo claro los objetivos propuestos, se presentara los conceptos solución, para así poder hacer una evaluación precisa del alcance de cada uno Concepto solución 1 es accionado por una manivela y se utiliza: una tolva, alimentador vibratorio, horqueta, un flujo de aire horizontal, y se almacenan los granos y la broza, con un recipiente para cada uno. Aquí se considera el uso de una tolva pues por ser flujo horizontal, la maquina no será muy alta. Concepto solución 2, es accionado por pedaleo usando una estructura de bicicleta y se utiliza: una tolva, un alimentador vibratorio, una rueda con púas, un flujo vertical de aire y se almacena sólo grano. Una alimentación discontinua seria perjudicial pues produciría una aceleración de las púas. Concepto Solución 3: este concepto se acciona con un mecanismo de 4 barras y se utiliza: un alimentador vibratorio, no se considera el acondicionamiento (la mezcla ya ingresa ya acondicionada), un flujo oblicuo de aire y se almacena solo los granos. Se asume una alimentación manual a un ritmo que no produzca fatiga excesiva. excesiva. Concepto solución 4: también es accionado por un mecanismo de cuatro barras y se utiliza: una faja, el aire acondicionado es manual, un flujo oblicuo de aire y se almacena solo los granos. Se asume una alimentación manual a un ritmo que no produzca fatiga excesiva. Concepto solución 5: es accionado por pedaleo usando una estructura de bicicleta y se utiliza: una tolva, una faja con púas, no se considera el acondicionamiento (la mezcla ingresa ya acondicionada) y se almacenan los granos y la broza en un recipiente cada uno. La separación es complementada con el uso de una zaranda al final del flujo de aire horizontal. El uso de una tolva es para evitar que las púas aceleradas golpeen duramente a la mezcla después de la discontinuidad en la alimentación. Concepto solución 6: se utiliza: una tolva, una faja mas rueda con púas, zaranda, flujo de aire (puede ser horizontal u oblicuo), no se considera acondicionamiento (la mezcla entra acondicionada) y se almacenan los granos y la broza en un recipiente para cada uno. La separación ocurre por peso específico. Aquí el uso de una tolva es para aprovechar la ventaja que brinda un tornillo sin fin (elevar la mezcla).

Evaluación Técnica Técnica y Económica Económica de las propuestas Teniendo claras las propuestas propues tas planteadas, estas serán sometidas sometida s a una evaluación evaluaci ón desde el punto de vista Técnico y económico. Evaluación económica Costo admisible de fabricación = $450 Costo ideal = 0.7 x 450 = $315 Valor económico = Costo ideal/Precio aproximado Tabla 1. Evaluación económica Precio aproximado Valor económico

CS1 380

CS2 420

CS3 380

CS4 450

CS5 525

CS6 595

0.83

0.75

0.83

0.70

0.60

0.53

Evaluación Técnica Las categorías y sus ponderaciones son: Criterio1 (C1): Fabricación sencilla Criterio2 (C2): Facilidad para el transporte Criterio2 (C3): Sencillez de operación Criterio2 (C4): Demanda de energía Criterio2 (C5): Demanda de mantenimiento Criterio2 (C6): Bajo nivel de ruido Los criterios están valorizados entre 1 como mínimos y 5 como máximo. Valor técnico = suma ponderada/Puntaje máximo

Tabla 2. Evaluación técnica

Evaluación de conceptos de solución Valor económico Valor económico

CS1 0.84

CS2 0.75

CS3 0.84

CS4 0.7

CS5 0.6

CS6 0.53

0.68

0.5

0.79

0.74

0.48

0.36

Fig. 2. Evaluación de propuestas. propuestas. La alternativa más cercana a la ideal es el concepto de solución 3 y por lo tanto se considera la solución óptima y es la que se desarrollara en la fase de ingeniería de detalle.

Fig. 3. Diseño final de la solución óptima.

CONCLUSIONES El prototipo diseñado y fabricado satisface plenamente las necesidades de limpieza de trigo y cebada en el lugar de su cosecha, pues en los ensayos a los que fue sometido en las zonas rurales de la ciudad de Huánuco, se pudo hacer las siguientes distinciones: Se obtuvieron granos limpios con pérdidas inferiores a 5% del peso total obtenido, además se independizó al proceso de limpieza del factor ambiental pues la máquina genera su propia corriente de aire. Artesanalmente el grano limpio perdido supera el 10% del peso total obtenido. El promedio de grano limpio que se obtiene con la máquina diseñada es de 85kg/hora, a un ritmo de operación que garantiza continuidad en el proceso. Artesanalmente es usual encontrar sacos que contienen mezcla (broza y granos), entre 20 y 25kg.Seis personas trabajando 4 horas matinales durante 2 días obtienen cerca de 400 kg de grano limpio. Se hace evidente la reducción del tiempo de procesamiento y el incremento incremento de la productividad. El prototipo diseñado tiene un peso de 80 kg, tiene 4 mangos que facilitan su transporte a cargo de dos personas y además las dimensiones (1.2x1.1x1m) del prototipo permiten permiten su fácil maniobrabilidad. La máquina funciona con dos operarios, uno que la acciona y el otro que alimenta con mezcla. No necesitan de ningún accesorio salvo de un recipiente para la alimentación de la mezcla y un recipiente para recoger el grano limpio. Los riesgos en la operación son mínimos comparados con los de una máquina industrial. Se limita a la lubricación de los apoyos (chumaceras) y el ajuste de algunos componentes como prisioneros y pernos de las chumaceras. L geometría del prototipo facilita estas operaciones pues no es necesario desmontar accesorios para poder lubricar los apoyos y acceder a los componentes a justar. Se puede finalmente concluir que luego de haber aplicado el método sistemático de diseño se obtuvo un prototipo que reúne todos los requisitos que cumple los objetivos generales y especificos definidos al inicio; sin embargo se hace evidente la necesidad de mejorar algunos componentes como el ventilador, el receptor de granos y el alimentador vibratorio.

Fig. 4. Fotos de la máquina venteadora

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