FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA Y URBANISMO Escuela Académico Profesional de Ingeniería In geniería Mecánica Eléctrica TESIS
DISEÑO DE UNA MÁQUINA LIMPIADORA DE TRIGO DE CAPACIDAD DE 60KG/H PARA LAS ZONAS ZON AS ALTO ANDINAS DEL PERÚ PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
Autores: Bach.
PITA MANAYALLE, ALBERTO
Asesor Metodológico: Ing. MARCELO ROJAS CORONEL
Asesor Especialista: Ing. JUAN CARLOS VIVES GARNIQUE
Pimentel, XX de JUNIO del 2016
Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú
DISEÑO DE UNA MÁQUINA LIMPIADORA DE TRIGO DE CAPACIDAD DE DE 60KG/H PARA LAS ZONAS ALTO ANDINAS DEL PERÚ
Aprobación Aprobación de la tesis
Ing. Marcelo Rojas Coronel Asesor metodólogo
Ing. JUAN CARLOS VIVES GARNIQUE Asesor especialista
Ing. Marcelo Rojas Coronel Presidente del jurado de tesis
Ing. Norman Aguirre Aguinaga Secretario del jurado de tesis
Ing. Juan Carlos Vives Garnique Vocal del jurado de tesis
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DEDICATORIA
A mis padres, porque creyeron en mí y porque me sacaron sacaron adelante, dándome ejemplos dignos de superación y entrega, porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en los momentos más difíciles de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo que me hizo ir hasta el final. Va por ustedes, por lo que valen, porque admiro su fortaleza y por lo que han hecho de mí. A mis hermanas y abuelos. Gracias por haber fomentado en mí el deseo de superación y el anhelo de triunfo en la vida.Mil palabras no bastarían para agradecerles su apoyo, su comprensión y sus consejos en los momentos difíciles. A todos, todos, espero no defraudarlos defraudarlos y contar siempre siempre con su valioso valioso apoyo, apoyo, sincero e incondicional
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AGRADECIMIENTO Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida de aprendizajes, experiencias y sobre todo de felicidad.
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Índice RESUMEN .......................................................................................................................13 INTRODUCCION ............................................................................................................15 CAPÍTULO I: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN..................................................... 19 1.1. Situación problemática. ....................................................................................... 19 1.2. Formulación Del Problema................................................................................... 25 1.3. Delimitación de la investigación........................................................................... 25 1.4. Justificación e importancia de la investigación .................................................... 25 1.5. Limitaciones de la investigación........................................................................... 26 1.6. Objetivos de la investigación................................................................................ 27
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO .............................................................................. 28 2.1. Antecedentes de estudio ..................................................................................... 28 2.2. Estado del arte ..................................................................................................... 35 2.3. Bases teóricos científicas ..................................................................................... 38
2.3.1.Situación tecnológica ........................................................................................... 3 9 2.3.2.Procesos agrícolas ................................................................................................. 40 2.3.3.Características de la mezcla si limpiar. ............................................................ 43 2.3.4.Métodos y Equipos Utilizados en la Actualidad ............................................. 44 2.3.5.Accesorios Comunes. ........................................................................................... 47 2.3.6.Metodología de diseño. ......................................................................................... 5 0 2.4. Definición de la terminología. .............................................................................. 53
2.4.1 Definición de Términos ......................................................................................... 53 CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO .............................................................. 56 3.1. Tipo y diseño de la investigación.......................................................................... 56
3.1.2 Diseño De La Investigación .................................................................................. 56 3.2. Población y muestra ............................................................................................. 57
3.2.1.Población. ................................................................................................................. 57 3.2.2.Muestra. ..................................................................................................................... 57 3.3. Hipótesis ............................................................................................................... 57
3.3.1.Tipo de Investigación ............................................................................................ 58 3.4. Variables ............................................................................................................... 58 3.5. Operacionalizacion ............................................................................................... 58 3.6. Métodos, técnicas e instrumentos de recolección de datos ............................... 59
3.6.1.Métodos De Recolección De Datos.................................................................... 59
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3.6.2.Técnicas De Recolección De Datos ................................................................... 60 3.6.3.Instrumentos De Recolección De Datos ........................................................... 61 3.7. Procedimiento para la recolección de datos ........................................................ 62
3.7.1.Diagrama De Flujo De Procesos ......................................................................... 6 2 3.7.2.Descripción De Procesos ..................................................................................... 63 3.8. Principios éticos ................................................................................................... 64 3.9. Criterios de rigor científico ................................................................................... 66
CAPITULO IV: ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS ........ 67 4.1. Partes De La máquina limpiadora de trigo:............ Error! Bookmark not defined. 4.2. Sistema Mecánico De La Máquina limpiadora de trigo. ...................................... 81
4.2.1.Características del material a limpiar. ............................................................... 81 4.2.2.Cálculo y diseño de la tolva de alimentación. ............................................... 81 4.2.3.Análisis de la tolva mediante elementos finitos ............................................. 87 4.2.4.Diseño Del alimentador vibratorio. .................................................................... 92 4.2.5.Evaluación de la vibración de la máquina. ...................................................... 99 4.2.6.Análisis estático del sistema Biela manivela ................................................ 101 4.2.7.Diseño del eje excéntrico ................................................................................... 105 4.2.8.Diseño De Chaveta. .............................................................................................. 118 4.2.9.Selección de Rodamientos ................................................................................ 123 4.2.10. Cálculo del pasador del sistema de la bandeja..................................... 128 4.3. Diseño de la estructura base. ............................................................................. 133 4.4. Diseño del sistema de limpieza. ......................................................................... 141
4.4.1.Selección del ventilador ............................................Error! Bookmark not defined. 4.4.2.Análisis de la potencia del ventilador ...................Error! Bookmark not defined. 4.4.3.Selección del motor ............................................................................................. 187 4.4.4.Selección de bandas ............................................................................................ 188 4.4.5.Selección del tipo de soldadura ....................................................................... 195 CAPITULO V. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN .............................................. 196 1.1. Costos. ................................................................................................................ 196
1.1.1.Costos Directos ..................................................................................................... 197 1.1.2.Costos Indirectos. ................................................................................................ 203 1.1.3.Costos Totales. ..................................................................................................... 204 1.2. Planos. ................................................................................................................ 204 1.3. Manual de operación y mantenimiento de la máquina dobladora .................. 204
CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................... 205
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú 6.1. Conclusiones ...................................................................................................... 205 6.2. Recomendaciones .............................................................................................. 206
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .........................................................................206 ANEXOS ........................................................................................................................210
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Limpieza de Trigo en Bolivia ........................................................................ 21 Figura 2: Limpieza de Trigo en el Perú ....................................................................... 22
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Figura 3: Limpieza Trigo en zonas de Lambayeque ................................................. 24 Figura 4: Trilladora y Limpiadora de Granos Alban Blanch ..................................... 29 Figura 5: Maquina de Trillado y Venteado Cuzco ..................................................... 31 Figura 6: Máquina de Trillado y Venteado de Granos Puno ................................... 31 Figura 7: UNPRG ........................................................................................................... 34 Figura 8: Máquina Limpiadora de Trigo Artesanal ................................................... 36 Figura 9: Maquina Limpiadora de cereales ................................................................ 36 Figura 10: Máquina trilladora venteadora accionada por un motor de C.I. ........... 37 Figura 11: Limpiadora de Granos – GR ...................................................................... 38 Figura 12: Gavillado ....................................................................................................... 41 Figura 13: Siega ............................................................................................................. 41 Figura 14: Venteado. ...................................................................................................... 41 Figura 15: Trilla ............................................................................................................... 41 Figura 16: Productos finales de un proceso de venteado ........................................ 44 Figura 17: Esquema general del proceso ...................................................................44 Figura 18: Limpieza con Viento .................................................................................... 45 Figura 19: Zaranda Manual y Zarandas en Serie ...................................................... 46 Figura 20: Zaranda Cilíndrica rotativa ........................................................................ 46 Figura 21: Limpiadora de granos Artesanal, con ventilador de alabes rectos ..... 47 Figura22: Ventilador de succión, se genera una zona de baja presión ................. 48 Figura 23: Ventilador de impacto, las aletas golpean a los granos ........................ 49 Figura 24: Ventilador inyector, la presión disminuye más que en el V. de Succión 49 Figura 25: Partes de la maquina dobladora ...................................................................... 80 Figura 26: Diseño de la tolva ........................................................................................ 82 Figura 27: Placa rectangular empotrada .................................................................... 83 Figura 28: coeficiente para el cálculo del espesor necesario de una placa .......... 84 Figura 29: Tolva sometida a fuerzas en software FEA ............................................. 87 Figura 30: Análisis estático tensiones en la tolva..................................................... 89 Figura 31: Análisis estático - Desplazamientos en la tolva ..................................... 90 Figura 32: Análisis estático – Factor de seguridad de la tolva ............................... 90 Figura 33: Enmallado de la tolva de alimentación .................................................... 91 Figura 34: Mecanismo del alimentador vibratorio ..................................................... 92 Figura 35: Vista lateral del alimentador vibratorio ..................................................... 92 Figura 36: Alimentador Vibratorio ................................................................................ 93 Figura 37: Esquema cinemático de sacudidores....................................................... 95 Figura 38: Análisis estático - Tensiones en la bandeja .................................... 96 Figura 39: Análisis estático - Desplazamientos en la bandeja........................ 97 Figura 40: Análisis estático - Factor de seguridad ............................................ 97 Figura 41: Esquema del alimentador vibratorio ......................................................... 98 .................................................................................................. 99 Figura 42: Grafica Figura 43: Grafica de Rathbone ................................................................................. 100
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Figura 44: DCL del mecanismo Biela - manivela .................................................... 101 Figura 45: DCL del punto 2 ......................................................................................... 102 Figura 46: Grafica Torque - ángulo .......................................................................... 104 Figura 47: Eje excéntrico. ............................................................................................1 05 Figura 48: Eje y sus componentes ............................................................................ 105 Figura 49: DLC del eje ................................................................................................. 106 Figura 50: Dlc en la polea. .......................................................................................... 107 Figura 51: Análisis de fuerzas Plano XY .......................................................................... 108 Figura 52: Diagrama de cortante y momentos. Plano XY ............................................... 109 Figura 53: Diagrama de fuerzas plano XZ ........................................................................ 109 Figura 54: Diagrama de cortante y momentos. Plano YZ ................................................ 110 Figura 55: Ejes sometido a fuerzas en software FEA ............................................. 115 Figura 56: Análisis estático tensiones en el eje ...................................................... 116 Figura 57: Análisis estático - Desplazamientos en el eje ...................................... 116 Figura 58: Análisis estático – Factor de seguridad en el eje ................................ 117 Figura 59: Enmallado del eje principal ...................................................................... 117 Figura 60: Fuerzas en una chaveta ........................................................................... 118 Figuras 61: Chaveta sometido a fuerzas en software FEA .................................. 120 Figura 62: Análisis estático – tensiones en la chaveta ........................................... 121 Figura 63: análisis estático – desplazamientos en la chaveta ............................. 121 Figura 64: Análisis estático - Factor de seguridad en la chaveta ......................... 122 Figura 65: Capacidad de carga de rodamiento rígido de bolas. ........................... 124 Figura 66: Factor de velocidad. .................................................................................. 125 Figura 67: Factor de esfuerzos dinámicos. .............................................................. 125 Figura 67: Rodamiento FAG ....................................................................................... 127 Figura 69: Eslabón del alimentador vibratorio ......................................................... 128 Figura 70: DLC del eslabón ....................................................................................... 128 Figura 71: Fuerzas aplicadas en el pasador ...................................................... 129 Figura 72: Análisis estático – tensiones en el pasador .......................................... 130 Figura 73: Análisis estático – Desplazamientos en el pasador ............................. 131 Figura 74: Análisis estático – Factor de seguridad del pasador ........................... 131 Figura 75: Estructura base .......................................................................................... 133 Figura 76: Juntas soldadas ......................................................................................... 134 Figura 76: Estructura base .......................................................................................... 135 Figura 78: Estructura base .......................................................................................... 137 Figura 79: Estructura base .......................................................................................... 138 Figura 80: Estructura base .......................................................................................... 139 Figura 81: Estructura base .......................................................................................... 140 Figura 82: Sistema de ventilación de la maquina limpiadora ................................ 142 Figura 82: Sistema de ventilación de la maquina limpiadora. Error! Bookmark not defined. Figura 83: Datos eléctricos del motor de 1 hp marca WEG. ................................. 188
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Figura 85: Tabla para la selección de correas ......................................................... 189 Figura 86: Transmisión por correas de la maquina ................................................. 190 Figura 86: detalle de los cordones de soldadura .................................................... 195
ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1: Carga en el eje X ...................................................................................... 83 Ecuación 2: Carga en el eje y ....................................................................................... 83 Ecuación 3: Máxima tensión en la coordenada X ..................................................... 83 Ecuación 4: Espesor de la placa de la tolva .............................................................. 84 Ecuación 5: Reacción de la placa ................................................................................ 84 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Ecuación 6: Desplazamiento del alimentador vibratorio. ......................................... 93 Ecuación 7: Velocidad del alimentador vibratorio. .................................................... 93 Ecuación 8: Aceleración del alimentador vibratorio. ................................................. 94 Ecuación 9: Aceleración del alimentador vibratorio de subida. ............................... 94 Ecuación 10: Aceleración del alimentador vibratorio de bajada. ............................ 94 Ecuación 11: Aceleración del alimentador vibratorio de bajada. .................... 94 Ecuación 12: Amplitud ................................................................................................... 99 ..................................................................................... 101 1 01 Ecuación 13: Componente H ...................................................................................... Ecuación 14: Valor de Cos ....................................................................................... 101 ................................................................................. .............................................................. ................... 102 Ecuación 15: Componente ........................................................................................ ......................................................... ............................... 102 Ecuación 16: Valor de Ecuación 17: Fuerza para vencer la masa de los productos ................................. 103 ...................................................................................... ................... 103 Ecuación 18: Fuerza Inercial I nercial ................................................................... Ecuación 19: Torque .................................................................................................... 103 ...................................................................1 04 Ecuación 20: Potencia del alimentador. .................................................................... Ecuación 21: Ecuaciones de Equilibrio ..................................................................... 107
∅
Ecuación 22: Ecuación de equilibrio de Momentos. ....................................................... 108 Ecuación 23: Ecuación de equilibrio Fuerzas. ................................................................. 108 Ecuación 24: Momentos flexionantes. ............................................................................ ............................................................................ 108 Ecuación 25: Momento resultante máximo .......................................................... .................................................................. ........ 111 Ecuación 26: Diámetro según Criterio de Von Mises .................................................... 112 Ecuación 27: Diámetro según Criterio de fluencia de Tresca Tresca ........................................ 112 Ecuación 28: Diámetro según criterio ED - Goodman ................................................... Goodman ................................................... 113 Ecuación 29: factor Ka .......................................................... .................................................................................................... .......................................... 113 Ecuación 30: Límite de resistencia a la fatiga fatiga ................................................................ 114 Ecuación 31: Falla debida al corte corte .................................................................................. 118 Ecuación 32: Falla debido a la compresión compresión .................................................................... 118 Ecuación 33: Carga resultante en rodamientos rodamientos ............................................................. 123 ................................................................................. ................... 126 Ecuación 34: Carga dinámica .............................................................. Ecuación 35: Capacidad Capacidad de carga carga dinámica requerida. ................................. 126 Ecuación 36: Capacidad de carga estática requerida ...................................... 126 Ecuación 37: Carga estática equivalente .............................................................126 Ecuación 38: Diámetro equivalente equivalente .................................... Error! Bookmark not defined. Ecuación 39: Relación de diámetro y distancia. ..... Error! Bookmark not defined. Ecuación 40: Relación de velocidades ...................... Error! Bookmark not defined. Ecuación 41: Área de la ventana por donde sale el flujo del aireError! Bookmark not defined. Ecuación 42: Caudal del aire. ....................................... Error! Bookmark not defined. Ecuación 43: Altura de presión ................................... Error! Bookmark not defined. Ecuación 44: Potencia Útil. ........................................... Error! Bookmark not defined. Ecuación 45: Potencia motor. ................................................................................. 187
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 : Porcentaje de componentes en la mezcla a trabajar ......................... 43 Tabla 2: Características del Trigo ................................................................................ 79 Tabla 3: Resultado del análisis estático de la tolva .................................................. 88 Tabla 4: Resultados del análisis estático con software FEA ................................... 96 Tabla 5 : Datos de análisis del alimentador vibratorio .............................................. 98 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Tabla 6: Factor de concentración de esfuerzos....................................................... 113 Tabla 7: valores de factor f actor y exponente ..................................................................... 114 Tabla 8: Resultado del análisis estático del eje principal ............................... 115 Tabla 9: Resultados del análisis estático de la chaveta ......................................... 120 Tabla 10: Resultados del análisis estático del pasador. ........................................ 132 Tabla 11: Cargas que soporta la estructura base. .................................................. 136 Tabla 12: Resultados del análisis dela estructura base. ................................. 138 Tabla 13: valores recomendados para separar la mezcla. m ezcla.Error! Bookmark not defined. Tabla 14: Longitudes primitivas de las correas ................................................. 192
RESUMEN El siguiente trabajo tuvo como objetivo diseñar, con el software SolidWorks 2013, una máquina limpiadora de trigo para los pequeños agricultores de las zonas alto andinas de la región Lambayeque. En primer lugar se da a conocer en la actualidad el procedimiento que realizan los pequeños agricultores para la limpieza del trigo en la zona. Así como
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también las máquinas que se emplean para esta actividad, con el fin de identificar adecuadamente las variables involucradas en el problema. Una vez conocidas e identificadas las variables, se proponen y analizan dos alternativas, con dos variantes cada una. De ellas, una alternativa es elegida según las características y aspectos evaluados. Luego, se analizó el trigo con el que se va a trabajar, para así obtener los datos de entrada para el diseño y análisis estructural de la máquina limpiadora. Finalizado el análisis estructural y el diseño final de la maquina limpiadora de trigo, se realizó el análisis económico de costos de fabricación. Además, se realizó una comparación con máquinas de similares características, para poder formular las conclusiones finales.
PALABRAS CLAVE: Diseño, Máquina Limpiadora de trigo, Separación de impurezas
ABSTRACT The next job was to design, with the SolidWorks 2013 software, a cleaning machine for small wheat farmers in the highlands of Lambayeque region. First it was disclosed today the procedure made by small farmers for cleaning wheat in the area. As well as the machines m achines used for this activity, in order to properly identify the variables involved in the problem.
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Once you are known and identified the variables are proposed and analyzed two alternatives, with two variants each. Of these, an alternative is chosen according to the characteristics and evaluated aspects. Then the wheat with work to be analyzed, to obtain input data for the design and structural analysis of the cleaning machine. After the structural analysis and the final design of the cleaning machine wheat, economic analysis of manufacturing costs was made. Furthermore, a comparison with similar machines was conducted in order to formulate the final conclusions.
Keywords: Design, wheat Cleaner Machine, Separation of impurities
INTRODUCCION El presente trabajo está relacionado con el sector agrícola y estrechamente vinculado a la postcosecha de granos (gramíneas de granos pequeños). En este grupo de alimentos encontramos al trigo, la avena, la cebada, el arroz, el maíz, la quinua y el sorgo, existiendo semejanza en sus procesos de producción y técnicas de cultivo. Una ventaja que presentan el trigo, la cebada y la avena respecto a las demás es que tienen los granos notoriamente más densos que la paja (broza o residuo no útil en la industrialización de granos)
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Actualmente, el trigo desempeña un rol fundamental, puesto que uno de sus derivados: la harina, es uno de los productos de mayor consumo en el mundo entero. Además forma parte importante dentro de la producción debido a su uso como alimento de diferentes especies como aves, cerdos, caballos, etc., especialmente cuando hablamos de pequeños agricultores. Pero, la maquinaria para limpieza de trigo existente en la región, no satisface las necesidades de los pequeños agricultores debido a que es costosa y además no se adapta a las condiciones de terreno principalmente por su tamaño. La modernización es constante y necesaria pero es difícil lograr y garantizar que llegue a todos los grupos humanos donde se necesiten, por ello es el objetivo de este trabajo favorecer a este sector menos beneficiado, optimizando y actualizando algunos de los procesos de sus actividades agrícolas como El Venteo con el uso de tecnología apropiada. La limpieza Artesanal de gránulos (Venteo) es realizado manualmente por los campesinos exponiendo el producto al aire libre, lo cual conlleva a que la duración del proceso y su efectividad se vean influenciados por factores climáticos como el viento y la lluvia, principalmente; elevando el costo de producción y quitando competitividad a este producto frente a otros similares. Hacer un Venteo Mecanizado, no solo permite ejecutar el proceso libre de los factores climáticos, sino que también mejora la limpieza del grano, entendiendo como limpieza, el retiro de la mayor cantidad posible de paja (broza), polvo y semillas de hierbas silvestres. Debido a lo anterior éste trabajo tiene por finalidad diseñar una máquina que realice el trabajo de limpiar el trigo una vez que el grano haya sido cosechado manualmente.
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Por lo tanto, se estima que la mecanización en forma simple y práctica en la etapa de limpieza en el proceso de post-cosecha de trigo será un aporte al sector agrícola regional. En el capítulo I, se desarrolló la situación problemática, formulación del problema, objeto de estudio, campo de acción y delimitación de la investigación, justificación y los objetivos, general y específicos. En el capítulo II se enfocó en los antecedentes de estudios, base teórica científicas y definición de la terminología. En el capítulo III se orientó a describir el tipo y diseño de la investigación, así mismo se conoció la población y muestra, hipótesis, Operacionalizacion de variables, los métodos, técnicas e instrumentos de recolección de datos, los procedimientos para la recolección de datos, análisis estadístico e interpretación de datos obtenidos, y se describió los criterios éticos y de rigor científico. En el capítulo IV, nos dirigimos hacia el análisis e interpretación de los resultados donde se dieron los resultados en tablas y gráficos, para ir hacia la discusión de resultados. Así mismo en el capítulo V se realizó la propuesta de investigación donde se presentó un plan estratégico, el manual de organización y funciones, etc. Finalmente
en
el
capítulo
VI
presentamos
las
conclusiones
y
recomendaciones correspondientes a lo investigado.
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CAPÍTULO I: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1. Situación problemática. El objetivo que nos lleva a profundizar en esta investigación, es conocer la falta de diseño industrial en el país y que está, cuando la hay, suele estar disociada de las necesidades del sector productivo nacional. El doblado de tubos es uno de los principales procesos de la industria manufacturera que a su vez forma parte de la industria metalmecánica, quien constituye un eslabón fundamental en el entramado productivo de una nación. No sólo por su contenido tecnológico y valor agregado, sino también por su articulación con distintos sectores industriales. Los tubos son utilizados en el transporte de fluidos, también como componentes estructurales en la industria naval, la industria automotriz (trimoviles), construcciones civiles y maquinaria. Además de muebles, rieles, andamios, pasamanos, entre muchos otros. Pero necesitan de un proceso de Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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doblado, el cual requiere experiencia, precisión y calidad, puesto que un cálculo erróneo o exceso de fuerza puede arruinar el material tanto estética como mecánicamente. Las máquinas dobladoras de tubos son un buen aliado para una empresa que realiza dicho proceso, porque ofrecen un rendimiento mayor en la producción, excelente calidad de las piezas dobladas, buena
precisión y mejores
acabados, originando de esta manera la necesidad de integrar nuevas tecnologías y diseños a una tarea complicada como es el doblado de tubos.
A). Nivel internacional. Colombia La revista LIESA con autores (José Luis Soto, Wilfredo Rojas, Raúl Saravia y José Luis Marconi, 2004) , publico Experiencias en técnicas de cosecha y
postcosecha en el cultivo de cereales andino en Bolivia, como la quinua, cebada, trigo y otro más son unos de los cultivos importantes en la agricultura campesina del altiplano boliviano, que se extiende por los departamentos de La Paz, Oruro y Potosí, desde el lago Titicaca hasta los salares de Coipasa y Uyuni. Los granos cosechados requieren de tratamientos especiales antes de ser consumido, por lo que los procesos de cosecha y post-cosecha constituyen factores determinantes para mejorar la calidad, disponibilidad de alimentos y aprovechamiento integral de la cosecha de este grano alto andino. Las pérdidas de grano como producto comestible a causa de problemas en la cosecha y postcosecha en muchos casos superan el 16%. En 1967, con la participación de la FAO, se inició en Bolivia un programa para estudiar y promover el cultivo de los cereales andinos y luego el Instituto
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Boliviano de Tecnología Agropecuaria (IBTA) comenzó a trabajar en el mejoramiento de diversos aspectos relativos al cultivo, destacándose la obtención de variedades mejoradas. A partir de la década de los 90, diferentes instituciones como el Programa de Autodesarrollo Campesino-Oruro (PACCORDEOR) y el IBTA, orientaron su enfoque a la mejora de las técnicas usadas tradicionalmente en las operaciones de cosecha y postcosecha de estos cultivos, promocionando el uso de hoces y segadoras mecánicas individuales, así como de máquinas de “Trillado y Venteado” con motor
estacionario.
En 1998, con la participación de dos organizaciones de productores que operan en los departamentos de Oruro y Potosí, la Asociación Nacional de Productores ANAPQUI y la Central de Cooperativas Agropecuarias «Operación Tierra» CECAOT, se inició un proyecto para mejorar las tecnologías tradicionales de las operaciones de postcosecha, con el fin de encontrar soluciones que eviten la presencia de impurezas en el producto final. Figura 1: Limpieza de Trigo en Bolivia
(Written by José Luis Soto, 2004)
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B). Nivel nacional En países como el Perú (país en vía de desarrollo) el apoyo para la agricultura carece de eficiencia y dista mucho de las características usuales del apoyo que recibe la agricultura en los países industrializados. En el interior del Perú y al igual que en otros países subdesarrollados, se hallan diferencias en el nivel de mecanización, combinándose en forma diversa los métodos manuales y de tracción animal o humana (fuentes de energía disponibles en la zona rural). En nuestro país se vienen desarrollando proyectos técnicos relacionados con el desarrollo de la agricultura. Grandes universidades del Perú como la Universidad Nacional de ingeniería, Universidad Mayor de San Marcos, Universidad Pontificia Católica del Perú tienen proyectos de investigación , desarrollo y construcción, sobre diseños de prototipo de máquinas de postcosecha que sus estudiantes realizan para obtener equipos que permitan revertir ese trabajo sacrificado como es la trilla y la limpieza de gránulos , Se ha comprobado en la práctica que una vez hecha la demostración a los productores de las características técnicas estos fueron validados por ellos mismos. Figura 2: Limpieza de Trigo en el Perú
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(Soberania Alimentaria, 2003)
C). Nivel local. En las zonas alto andinas del Perú se realiza la limpieza de gránulos artesanal llamada “venteo”, Esta técnica es realizada manualmente por los campesinos
exponiendo el producto al aire libre, lo cual conlleva a que la duración del proceso y su efectividad se vean influenciados por factores climáticos como el viento y la lluvia, principalmente; elevando el costo de producción y quitando competitividad a este producto frente a otros similares. El insuficiente grado de organización de los agricultores y la poca disposición de recursos económicos, dificulta la adquisición de algunas tecnologías modernas; además, el costo elevado de otras fuentes de energía hace que uno de los requisitos sea que el equipo funcione con potencia humana o animal. Ello hace que e ste trabajo se oriente a la producción de “pequeños volúmenes”, puesto que la capacidad de potencia humana como fuerza motriz
de una máquina, es pequeña en comparación con otras f uentes comunes de accionamiento motriz. En la Región Lambayeque, no existe un Estudio Tecnológico interesado en este tema, esto se debe a la carencia de tecnología propia para mejorar la eficiencia del venteado de cereales. También como a nivel nacional universidades de la región apoyan al diseño y mejoramiento de la maquinaria
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agrícola para la obtención de una buena producción de alimentos, por eso existen proyectos de investigación realizados en dichas universidades pero por la falta de apoyo en el nivel económico solo quedan en programas de diseño y no en la construcción. En la región no promueven el diseño de maquinaria agrícola. Por lo tanto las máquinas limpiadoras de gránulos andinos son desconocidas por la población lambayecana siendo este un gran problema en el ámbito local. Figura 3: Limpieza Trigo en zonas de Lambayeque
(Soberania Alimentaria, 2003)
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1.2. Formulación Del Problema. ¿Cómo mejorar el proceso y la efectividad en la limpieza de gránulos de trigo mediante el diseño de una máquina limpiadora para las zonas alto andinas del Perú?
1.3. Delimitación de la investigación. La investigación se realizó en: Lugar: Universidad Señor de Sipán. Dirección: Km 5 Carretera a Pimentel. Distrito: Pimentel Provincia: Lambayeque Departamento: Lambayeque Las personas involucradas en la presente tesis son: Autor: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Asesor Metodólogo: Ing. Rojas Coronel Ángel Marcelo Asesor especialista: Ing. Vives Garnique Juan Carlos El periodo de tiempo para la elaboración de la tesis fue de 8 meses.
1.4. Justificación e importancia de la investigación Tecnológica: Al diseñar una máquina limpiadora de trigo resulta una nueva alternativa para la limpieza de gránulos post-cosecha para el sector agrícola, así como también pondrá a prueba nuestro ingenio para determinar los materiales constructivos a elegir, los cuales deberán cumplir con las normas técnicas correspondientes y también ser económicamente accesibles.
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Económica: El diseño de esta máquina limpiadora de trigo eliminará la dependencia de los combustibles fósiles, cuyos costos de adquisición resultan inaccesibles para grandes sectores de la población, y comparando con otras máquinas similares que usan estos medios como fuente de energía, resulta una alternativa económicamente viable.
Social: Con el diseño de una máquina limpiadora de trigo, se disminuirá el tiempo de trabajo que lleva realizar este proceso (artesanal), incrementar la producción y mejora la calidad del producto y así creando una nueva alternativa de desarrollo sustentable.
Ambiental: Una posible creación de una máquina de este tipo de características tendría un impacto positivo en el desarrollo sostenible de nuestro planeta, además de crear conciencia del cuidado y respeto al medio ambiente en la comunidad agrícola y contribuir con la disminución del impacto negativo de los residuos tóxicos al ambiente. Favoreciendo así a una interacción con el agroecosistema para la producción agrícola y para la conservación de la naturaleza establecido un equilibrio ecológico para proteger la fertilidad del suelo o evitar problemas de plagas
1.5. Limitaciones de la investigación.
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1.6. Objetivos de la investigación Objetivo general Diseñar una máquina limpiadora de trigo de 60Kg/h de capacidad con las especificaciones de potencia, sistema de transmisión, materiales y dimensiones que atiendan los requerimientos de los pequeños agricultores en las zonas alto andinas del Perú.
Objetivos específicos a)Disminuir el tiempo de trabajo que lleva realizar la limpieza de gránulos. b) Garantizar su fácil transporte de la máquina limpiadora de trigo. c) Diseñar y simular el diseño mediante un software de ingeniería. d) Realizar los planos del diseño de la máquina limpiadora de trigo. e) Determinar el costo de fabricación de la máquina limpiadora de trigo. f) Realizar los cálculos necesarios para el correcto diseño de la máquina.
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CAPÍTULO II: MARCO TEORICO
2.1. Antecedentes de estudio A). Nivel Internacional La primera Introducción de una máquina de trillado y de limpieza en la post cosecha de la gránulos fue la (Blanch, Alban, 1985) de fabricación inglesa la cual se introdujo por primera vez en el año 1985 en la zona del altiplano sur a un precio estimado en los $/ 10000; Sin embargo por ser una maquia
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fabricada para el trillado y en la limpieza de otro tipo de granos, fue modificada para el trillado y la limpieza de la quinua, adaptaciones que no siempre fueron efectivas ya que los productores siempre se quejaban del excesivo partido de grano, razón por la cual no todos la utilizaban Figura 4: Trilladora y Limpiadora de Granos Alban Blanch
(Colque, Rubén Ramiro Miranda, 2011)
Los alumnos Marcela I. Gómez Espinosa y Carlos H. Beltrán Turriago de la Facultad de Ingeniería, para obtener el título de Ingeniero Mecánico desarrollaron la tesis “Diseño y cálculo de una máquina transportable,
limpiadora de granos es postcosecha ” en la Fundación Universidad de América - Santafé de Bogotá - Colombia Esta máquina transportable con capacidad de 2 ton/hr. Limpia arroz, trigo, sorgo, soya y maíz después de ser cosechado. Para este fin se diseñó una tolva de almacenamiento, un alimentador de paletas rotatorias el cual dosifica y distribuye el grano sobre las zarandas. El sistema de cribado es accionado por un mecanismo de biela-manivela, obteniendo así un movimiento oscilatorio en las zarandas. Por medio de un sistema de separación de polvo mediante un ventilador centrífugo se extraen las partículas pequeñas de impurezas que trae el grano. Los alumnos Llangarí Tzaqui, Edison Fernando y Benalcázar Soria, Eduardo Javier de la Escuela de Ingeniería Mecánica, para obtener el título de Ingeniero Mecánico desarrollaron la tesis “Diseño y Construcción de una
Trilladora y Limpiadora de Quinua” en la Escuela Superior Politécnica de
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Chimborazo - Riobamba - Ecuador El presente trabajo es Diseño y Construcción de una Trilladora y Limpiadora de Quinua, es uno de los cultivos considerados como delicados en cuanto a manejo y cuidados. La cosecha de quinua debe realizarse con la debida oportunidad para evitar no solo las pérdidas por efectos adversos del clima y ataque de aves, con deterioro de la calidad del grano. Un sistema de cosecha de quinua consiste en la utilización de trilladoras estacionarias, la siega y transporte de las gavillas se hace manualmente. Varios modelos de trilladoras de cereales han sido adaptados para la trilla de quinua, en otros casos se han creado prototipos específicos, todos con aceptable efectividad y rendimiento. Se busca resolver los inconvenientes que se presentan al momento de cosechar la quinua con máquinas que no son específicamente para la trilla, por lo cual se diseña una maquina trilladora y limpiadora más eficiente que consta de: Una tolva que es la entrada de las ramas, donde se dirige al rotor picador que se encarga de cortar en un tamaño determinado que luego pasa al sistema de trilla que consta de una serie de barras trilladoras, luego el ventilador succiona todo el material picado, trillado y lo envía hacia un ciclón el cual se encarga de separar la semilla de quinua del resto de material aumentando así la eficiencia tanto en el trillado como en la limpieza de la quinua. Realizamos una comparación, de la producción de las máquinas adaptadas para la trilla con la construida específicamente para la quinua, tenemos, producción diaria 60 qq., eficiencia de la máquina de un 93% y una reducción de tiempo de producción significativo. Una vez terminado el estudio se recomienda a los pequeños y medianos productores utilizar la máquina con precaución y con personal capacitado, se recomienda también que en lo posible se realicen mantenimientos periódicos y se obtendrá una mejor eficiencia de la máquina.
B). Nivel nacional RAMP PERÚ, es un proyecto que tiene como objetivo mejorar las condiciones de vida de la población a través de la difusión de tecnologías con alto impacto
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social, mediante mecanismos de mercado; así como de la articulación y fortalecimiento de los actores vinculados a la ciencia, tecnología e innovación. El Proyecto inició sus actividades en marzo de 2007, en las regiones de Cusco, Puno y Cajamarca, además de desarrollar algunas actividades en Lima. Gracias a ese proyecto hemos podido desarrollar en el Perú varios proyectos como el de (Tito, Nicasio Uñapillco, 2009) , con el diseño de su máquina de trillado y venteado de granos llamada " LAS MÁQUINAS DEBEN ADECUARSE A LA ZONA Y LAS NECESIDADES DE LA POBLACIÓN”,
que es capaz de trillar y ventear cuatro tipo de cereales como: cebada, trigo, quinua y kiwicha, tiene la capacidad adicional de ser transportable. Figura 5: Maquina de Trillado y Venteado Cuzco
(RAMP PERPÚ, 2012)
Así como también se desarrolló un proyectó en la región puno llamado “LO
IMPORTANTE NO ES SOLÓ TENER UN BUEN PROTOTIPO SINO QUE EL NEGOCIO SEA SOSTENIBLE “realizados por (Paredes, Crisli Checalla; Tapia,
Rudy Dueñas, 2009), es una máquina transportable que posee un sistema de
venteado (eliminación de impurezas mediante el aire, que permite obtener granos de cereales limpios obteniendo mejor calidad del producto. Figura 6: Máquina de Trillado y Venteado de Granos Puno
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(RAMP PERPÚ, 2012)
Hebel Augusto Vidal Bazalar de la Facultad de Ciencias e Ingeniería, para obtener el título de Ingeniero Mecánico desarrollo la tesis
“Diseño y
fabricación de una máquina limpiadora de trigo” en la Pontificia Universidad Católica del Perú. En el presente trabajo se diseña, se desarrolla y se prueba una máquina para el venteado de granos en la postcosecha de los procesos agrícolas. El venteo consiste en retirar la paja de los granos de una mezcla proveniente del proceso de trillado. La máquina puede usarse en gramíneas de granos grandes tales como el trigo, la avena y la cebada. Dicha máquina se ubica en el marco de las tecnologías apropiadas, y está orientada a satisfacer los requerimientos de los pequeños productores agrícolas de las zonas altas de los Andes los cuales tienen una capacidad adquisitiva reducida. Usualmente dichos productores realizan el venteo artesanalmente para lo cual utilizan corrientes de aire en los cerros cercanos al campo de cultivo. Esta forma de venteo tiene los inconvenientes de generar poca producción de grano limpio en comparación con los métodos mecanizados y de depender de los factores climáticos. Para el diseño de la máquina se utiliza una metodología sistemática de diseño para ingeniería, se construye un prototipo experimental y se prueba dicho prototipo para verificar que cumple con las principales funciones exigidas. Con este trabajo se espera brindar una tecnología que ayude a los pequeños productores agrícolas, dentro de la cadena productiva,
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a incrementar la producción de diversas gramíneas. Se espera que este prototipo experimental sea optimizado y sirva para mejorar la calidad de vida de los pequeños productores del sector rural. Edgar Cristian Yépez Muñiz de la Facultad de Ingeniería Agrícola, para obtener el título de Ingeniero Agrícola desarrollo la tesis
“Diseño y
Construcción de una Maquina Limpiadora de Granos de Accionamiento Manual” en la Universidad Nacional Agraria la Molina – Perú. Teniéndose el problema de la presencia de impurezas en el producto cosechado después de la trilla, surge la necesidad de proceder a su limpieza utilizando para ello formas más eficientes de los que en la actualidad se utiliza con métodos tradicionales, especialmente en el ámbito de la pequeña propiedad rural. Se quiere que el pequeño agricultor tenga acceso a una máquina limpiadora de fácil operación y bajo costo, que le permita mejorar la presentación del producto y darle un mayor valor agregado. Con el presente trabajo de tesis se intenta una solución, para lo cual se plantea como objetivo central el diseño y construcción de una venteadora para la limpieza de granos que permita realizar las pruebas necesarias con la gran variedad de granos para obtener eficiencias en la limpieza y capacidades horarias. Los resultados obtenidos con la venteadora permitirán establecer los parámetros de diseño de prototipos mejorados que se podrán construir posteriormente. El accionamiento es manual, requiriendo de dos personas para su operación, una para alimentación del producto y otra para accionar la manivela. La venteadora demanda una potencia pequeña, del orden de 1/31 HP. Los operadores podrían trabajar por períodos largos y en forma sostenida en condiciones de mínimo esfuerzo. Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Es de fácil construcción y ligera de peso. En los ensayos con frijol limpia 320 kg/hora .
C). A nivel local Luis Antonio Pérez Ruiz para optar el título de ingeniero mecánico electricista realizó la tesis “Diseño y Fabricación de una máquina venteadora de cebada”
en la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo – Lambayeque. El objetivo de este proyecto es agilizar y hacer más productivo la limpieza (venteo) de cebada postcosecha para el sector rural agrícola. De esta manera se mejorará la obtención gránulos limpios a partir de este prototipo para el progreso y modernización de las zonas rurales. Figura 7: UNPRG
(FIME, 2007)
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2.2. Estado del arte En la actualidad existen una gran variedad de máquinas destinadas a la limpieza de gránulos ofreciendo una gran efectividad en el proceso, cuyos diseños, dimensiones y capacidades varían de acuerdo a su demanda, de este modo, las máquinas industriales son una combinación de diversos mecanismos para incrementar la cantidad del producto final, reduciendo el tiempo de procesamiento e incrementando la calidad del producto . A continuación se presentan algunos equipos
que son indicando las
características más saltantes de cada uno, el orden de presentación está definido por la complejidad de la máquina.
Máquinas Limpiadora Artesanal La gran mayoría de equipos artesanales son accionados por energía humana y estas máquinas en particular son más comunes en la marca (Herrandina). Dicha maquina consta de un ventilador centrifugo accionado por una manivela (Fig. 8), además tiene un ducto que dirige el flujo de aire a través de la mezcla que es introducida por la parte superior. La máquina tiene un buen grado de efectividad y sencillez de operación, pero como se indicara posteriormente un flujo oblicuo de aire mejora la limpieza y reduce la demanda de energía.
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú Figura 8: Máquina Limpiadora de Trigo Artesanal
(GRANMANZANA, 2009)
Máquina limpiadora de cereales
Esta máquina es usada para limpiar aceituna, legumbres, cereales, orujillo, etc. Elimina hojas, palos, tierra etc. Dispone de turbina con motor de 0, 75cv. , 2 cribas
Figura 9: Maquina Limpiadora de cereales
para seleccionar
las legumbres, los cereales y la aceituna según el tamaño. Carro móvil que lo hace portátil. Fabricado en chapa galvanizada. Tamaño aprox. 120x100x70 cm (Fig.9).
( Cosechadoras en Úbeda, 2016)
Máquinas Trilladora Venteadora
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Estas máquinas son de uso común en zonas cercanas a áreas urbanas en las que la agricultura esta semi industrializada, pues tiene un gran volumen de trabajo (1000 Kg/h) y como su nombre lo indica ejecuta 2 procesos, el trillado y el venteado. Esta máquina en particular (Fig.11) es accionada por un motor de combustión interna, posee una geometría grande lo cual dificulta su transporte que junto a la demanda de combustible dificultan su uso a zonas rurales alejadas. Figura 10: Máquina trilladora venteadora accionada por un motor de C.I.
(AGROTERRA, 2012)
Limpiadora de Granos – GR
Este (Limpiador) neumático se utiliza en los diferentes procesos de separación de productos con impurezas livianas. Es ampliamente utilizado en la separación de cascarilla de arroz, trigo, cebada, etc. vanos, impurezas livianas, polvo y demás partículas que logran separarse a través de una corriente de aire en contra flujo, que atraviesa la cascada de producto, Los motores independientes del separador neumático y la zaranda, permiten un ajuste exacto del nivel de vibración y de graduación del flujo de producto, con
relación al volumen del aire del circuito cerrado.
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú Figura 11: Limpiadora de Granos – GR
(SUPERBRIX, 2011)
2.3. Bases teóricos científicas
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2.3.1. Situación tecnológica La evolución de la mecanización agrícola comienza con las primeras herramientas de madera usadas por el hombre, para facilitar sus actividades agrícolas y progresa con el uso de la tracción animal, siendo luego mejorado cuando se complican los diseños de las herramientas para optimizar el trabajo. Recibe posteriormente otro gran impulso con el invento de la máquina de vapor, lo que permitía incrementar la demanda de potencia y por lo mismo exigía el aumento de tamaño de la maquinaria. Un gran aporte fue tam bién el invento del neumático que permitió perfeccionar el tractor y otras máquinas similares. De forma conjunta los sistemas hidráulicos, la electricidad y la electrónica han permitido mejorar constantemente las maquinas La mecanización agrícola se viene desarrollando, desde los finales del siglo 18 en los países industrializados; las causas de mecanización son varias y diferentes en cada lugar, pero los resultados son los mismos. La mecanización junto al incremento de la producción, propicio la mayor productividad de la mano de obra. Solo con la mecanización agrícola se ha podido mantener, el ritmo del desarrollo general de la industria. En países como el Perú (país en vía de desarrollo) el apoyo para la agricultura carece de eficiencia y dista mucho de las características usuales del apoyo que recibe la agricultura en los países industrializados. En el interior del Perú y al igual que en otros países subdesarrollados, se hallan diferencias en el nivel de mecanización, combinándose en forma diversa los métodos manuales y de tracción animal o humana (fuentes de energía disponibles en la zona rural). Las tendencias históricas y el estado actual de la mecanización son influidas por factores tecnológicos, agro climatológicos y económicos. Actualmente en el Perú sus tres regiones naturales tienen diferentes accesos a las posibilidades de mejorar los procesos, así podemos ver que la costa se encuentra más desarrollada debido a factores como su topografía plana que permite el trabajo de tractores y similares, así también su cercanía a los Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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puertos y mejores vías de comunicación que facilitan la exportación de los productos sembrados, agregándose a lo anterior el hecho de contar con agricultores con un nivel cultural más alto que en las demás regiones. La sierra posee un desarrollo agrícola limitado por la topografía accidentada con la que cuenta, factores climatológicos adversos, la menor o nula rentabilidad de los productos restringiendo las inversiones, falta de vías de comunicación entre áreas de producción y centros de consumo, y así entre otros. La selva por sus características agroecológicas presenta grandes restricciones para ser mecanizada, además presenta una dominante actividad agrícola de tipo migratorio, que junto a la falta de vías óptimas para un buen transporte (de productos) y comunicación, dificultan el mayor desarrollo de la agricultura.
2.3.2. Procesos agrícolas Las actividades agrícolas tienen diferentes operaciones de cosecha, pero entre ellas podemos distinguir operaciones parecidas, para plantas de características similares. Dentro de un mismo grupo se encuentran todas las plantas que poseen espigas, las operaciones para la cosecha de las mismas tienen los siguientes pasos (sin distinguir del tipo de planta con espiga que sea).
a) Siega: Consiste en cortar los tallos con espigas, utilizando de preferencia la hoz. (Fig. 12).
b) Gavillado: Su finalidad es secar los tallos, para ello se juntan en manojos de tallos y se agrupan en forma piramidal. (Fig. 13).
c) Trilla: Es separar el grano de la planta, mediante impacto y fricción. (Fig. 14).
d) Limpieza: Es separar el grano de la paja broza (venteado). (Fig. 15).
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e) Almacenamiento: Para secar los granos hasta una humedad comercial,
estos son almacenados en depósitos adecuados .
Figura 13: Siega
Figura 15: Trilla
Figura 12: Gavillado
Figura 14: Venteado
(David A. V.Dendy, 2001)
Cada una de estas operaciones obedece a numerosos y diferentes cuidados para lograr un proceso efectivo. El tema de interés para la tesis es la limpieza, siendo esta operación importante por diferentes razones, algunas dependientes del producto en sí y otras del producto secundario (broza). Así podemos citar algunos motivos de su importancia:
a) Evita la acumulación de humedad por la broza que de no ser retirada dañaría el producto.
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b) Evita la aparición de insectos y microorganismos asociados a la cubierta natural del grano.
c) Se facilitan otras actividades como la manipulación, transporte y almacenamiento, puesto que solo se trabaja con el producto útil.
d) Admite que en el secado se usen equipos que trabajen a temperaturas relativamente altas, pues si la broza estuviera presente podría comportarse como combustible.
e) Permite en algunos casos la obtención de productos secundarios potencialmente industrializables (uso de la broza no humedad). La limpieza de los granos desde tiempos remotos consiste en usar al Aire corriente por lo que la actividad se denomina Venteo y para tal efecto usualmente se acondicionan ciertos lugares al aire libre. Este proceso al ser llevado a cabo artesanalmente condiciona que la producción final dependa, entre otros, de la cantidad de personas que participan, el tiempo de trabajo y el clima. Así por ejemplo en una investigación previa se encontró que en el distrito de Limatambo (Cusco), cinco personas trabajando durante 2 días (4 a 10 horas por día dependiendo del clima) pueden conseguir unos 400 a 500 Kg de grano limpio. En conclusión se puede afirmar que el proceso artesanal de limpieza es fuertemente influenciado por el clima, es un proceso lento, es poco productivo, exige un gran desgaste físico y expone al campesino al accidental ingreso de las partículas a los ojos, boca u oídos . La otra opción de limpieza es usar máquinas, como habrá de suponerse esta alternativa es medianamente moderna pues a finales del siglo XIX ya se usaban efectivamente. Los equipos para estas actividades son llamadas Aventadoras o Limpiadoras. Estas máquinas cuentan con diferentes accesorios, uno de ellos es La Zaranda, que ayuda notoriamente a optimizar
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el proceso de limpieza. Los procesos que se usan en los equipos son diferentes, algunos tienen por finalidad optimizar el proceso, otros elevar la calidad del producto final y otros sencillamente agilizar y/o hacer más fácil el trabajo.
2.3.3. Características de la mezcla si limpiar. La información al respecto es escasa y muy variable en bibliografías especializadas pues está sujeta a diversos factores como el tipo de producto, la finalidad del proceso, la humedad, etc. En un trabajo previo se indica detalladamente la obtención de información referida para la obtención de 300 Kg/h de grano limpio a partir de una mezcla de grano y paja procedentes de una trilladora. Se indica que esta información se obtuvo experimentalmente y con la visita que se hizo a la al distrito de cañarís se pudo corroborar que de 1 hectárea se obtiene (se cosecha) aproximadamente 500 Kg de grano limpio lo cual permite usar la información brindada en dicho trabajo para las características de la mezcla, que son Tabla 1 : Porcentaje de componentes en la mezcla a trabajar
Gránulos & Broza Grano limpio (trigo)
Porcentaje 18 %
Broza corta y cascarilla
8%
Broza larga (tallo)
74 %
(David A. V.Dendy, 2001)
Dependiendo de la técnica de siega y del proceso anterior al venteado (el trillado) el tamaño de la broza puede variar entre 15 a 60 cm, que se considera broza larga la cual es complicada de separar de los granos en una corriente de aire, por ello son retirados con anticipación de la mezcla, en los procesos de venteado. La broza corta (longitud menor a 15 cm) y las cascarillas pueden ser retiradas con facilidad en el venteado, por ello se asume que la mezcla que ha de ingresar a la máquina estará libre de broza larga, llegándose a
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obtener casi un 50% de grano limpio de la mezcla a trabajar. Al final del venteado se deberá obtener granos limpios y pajilla como desecho (Fig.16). Figura 16: Productos finales de un proceso de venteado
(COSECHANORT)
Se sabe que la densidad del grano de trigo es de 1420 Kg/m 3 mientras que la densidad de la mezcla (grano y broza) es relativa pues dependerá de la condición de aplastamiento de la mezcla, de la humedad, etc. En un el trabajo experimental se indica que para un porcentaje de 30% de broza corta la densidad de la mezcla es aproximadamente 200 Kg/m 3. Con la información presentada se podrá entender el siguiente esquema: Figura 17: Esquema general del proceso
(ELABORACION PROPIA )
2.3.4. Métodos y Equipos Utilizados en la Actualidad Muchos de los sistemas usados hoy en día son los mismos o con algunas modificaciones a los usados antiguamente. Una distinción de ellos de manera
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general se presenta a continuación. A continuación podemos diferenciar los métodos más comunes : Limpieza con Viento Es usada en la limpieza artesanal, consiste en elevar la mezcla (granos con broza) a una determinada altura y dejarlos caer para permitir que el viento arrastre impurezas más livianas que el mismo grano, además de la cascarilla y la broza en si (ver Fig. 20). La gran desventaja de este método es que está influenciado por el clima y que además no se puede separar impurezas más pesadas que los granos, como por ejemplo piedrecillas. Figura 18: Limpieza con Viento
Limpieza con Zarandas Manuales Es usada también por los pequeños productores. Para ello se usa una malla o mallas en serie (ver Fig.19), sobre la cual colocamos la mezcla (granos con broza) y luego la elevamos; el aire retira parte de las impurezas pequeñas y las más grandes son retiradas en la (s) malla (s) con movimientos vibratorios (“zarandeo”). A través de los orificios no solo pasan los granos, sino también
algunas impurezas (en algunos casos), estas se van separando según la cantidad de mallas y el tamaño de sus orificios. Esta actividad tiene como gran ventaja que las mallas pueden ser construidas in situ por los mismos campesinos obteniéndose buenos resultados y notorias cantidades de producto, la desventaja es que requiere de gran esfuerzo físico y tiempo, además el campesino está expuesto a las partículas ligeras del proceso.
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú Figura 19: Zaranda Manual y Zarandas en Serie
Limpieza con Zarandas Cilíndricas Rotativas Estas máquinas se utilizan en la industria para las grandes producciones. Tienen gran capacidad de limpieza y consumen relativamente poca potencia. Consisten básicamente en dos mallas cilíndricas concéntricas (ver Fig. 20). La interior tiene forma de cono para que los granos se deslicen cuando se opera el equipo a una velocidad más baja. Figura 20: Zaranda Cilíndrica rotativa
Limpieza con Ventiladores El fluido de trabajo sigue siendo el aire, el principio es: la diferencia entre la velocidad del grano y la velocidad de las impurezas. El proceso en si consiste en hacer pasar a la mezcla por una corriente de aire generada por el ventilador (accionado manual o mecánicamente), las impurezas (más ligeras que el grano) serán arrastradas una distancia mayor que los granos. Estos equipos cuentan con ciertos accesorios como una Tolva, donde se deposita la mezcla y una Escotilla que es por donde se alimenta la mezcla a la corriente de aire
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(Fig. 21). La desventaja de este método es que no podemos separar impurezas más pesadas que el grano. Figura 21: Limpiadora de granos Artesanal, con ventilador de alabes
2.3.5. Accesorios Comunes. La mayoría de equipos para este fin tienen accesorios comunes, para complementar el trabajo y otros casos para elevar la efectividad del equipo. Entre estos accesorios podemos distinguir:
Tolva Es un depósito de mezcla básicamente, en algunos equipos encontramos aspas para mover la mezcla hasta el punto de alimentación, también se puede encontrar aquí un regulador de flujo de mezcla.
Sistema de Ventilación. Generalmente comprende un ventilador, una cámara gravitacional y un ducto con flujo de aire. La cámara gravitacional es de gran volumen para provocar una reducción de la velocidad del aire que transporta las impurezas, consiguiendo depositarlas al fondo de la cámara para que luego sean descargadas; la forma y tamaño de la cámara dependerá del caudal del aire y del diseño de la máquina. El ducto transporta las impurezas desde la zona donde se produce la separación y es usualmente de succión para evitar la contaminación ambiental. El ventilador que trabaja como succionador tiene diferentes formas geométricas y de funcionamiento. En general dentro de los sistemas mecanizados de limpieza usados en la industria agrícola, el accesorio predominante y más significativo es el ventilador, debido a que los Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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demás complementan la labor de este, pero no por ello son menos importantes. Se puede hacer una distinción de sistemas basándonos en el tipo de ventilador que se esté usando, así podemos encontrar: a) Ventiladores de succión
Tienen una rueda de aletas que giran dentro de una cámara a una velocidad que oscila entre 800 y 1200 rpm según la longitud del tubo de succión, este tubo es colocado axialmente al disco que contiene las paletas (ver Fig. 22). El material a transportar es succionado y lanzado por las paletas. Si a las paletas le agregamos cuchillas, entonces tendremos un ventilador-picador. Figura22: Ventilador de succión, se genera una zona de baja presión
b)
Ventilador de impacto
Estos también tienen una rueda con aletas y el aire es succionado lateralmente pero el material a transportar debe ser introducido por un embudo hacia la corriente de presión del aire (ver Fig. 23), para ello se necesita cerca de 3000 rpm, pero aquí también la longitud del conducto determinara las rpm.
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú Figura 23: Ventilador de impacto, las aletas golpean a los granos
c)
Ventilador inyector
En este modelo el aire recibe una mayor presión por la reducción de tamaño del conducto antes del embudo de alimentación; por esta razón, a mayor velocidad la presión estática del aire disminuye. Luego se amplía otra vez el tubo, formando una especie de abertura y la presión estática aumenta (ver Fig.24). El material a transportar entra suavemente y es transportado a gran presión. La rueda llega hasta casi 3000 rpm.
Figura 24: Ventilador inyector, la presión disminuye más que en el V. de Succión
Zaranda En esencia son chapas metálicas perforadas o en otros casos hilos metálicos cosidos en forma de mallas, poseen un marco de madera o metal. La forma de los agujeros varían por la funcionalidad o por el grano a limpiar; estos pueden ser redondos, ovalados, triangulares, etc. En mallas de hilos solo se
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consiguen orificios cuadrados o rectángulos. Para permitir en la zaranda una caída constante de granos es común encontrar inclinaciones que varían entre 5° y 15°. Las zarandas no poseen muchas distinciones entre una y otra, debido a que su función es solo de separar partes más grandes que otras, su forma varía de acuerdo al diseño de la maquina más que de la función que se desee obtener.
Sistemas de Vibración Es el encargado de dar el movimiento (oscilatorio) a la zaranda para garantizar la funcionabilidad de esta. Tiene accesorios capaces de modificar la amplitud y frecuencia de oscilación. Es muy común, por no decir el único método, usar ejes excéntricos en estos sistemas.
Limpiador de Zarandas Son otros accesorios necesarios, debido a que es común en estos equipos, que durante la operación los orificios de la zaranda sean bloqueados (tapados) por los granos y/o impurezas, lo cual reduce la efectividad de la máquina. Estos limpiadores pueden ser:
a) Cepillos y martillos: Consta de una escobilla que se desliza sobre la zaranda y de un martillo que da ligeros golpes en la parte posterior de la zaranda, desatorando partículas.
b) Bolas de goma: Bolas de diferentes tamaños colocadas debajo de la zaranda, estas bolas vibran casi a la misma frecuencia de la zaranda.
c) Pistones: Instalados en los costados de las zarandas para darle rápidos golpes, fuertes y cortos,
2.3.6. Metodología de diseño. Existen numerosos métodos de diseño, variando entre sí por las diferentes aplicaciones a las que se destinan. Es importante hacer notar y aclarar que
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estos métodos no solo abarcan el tema de los cálculos, diseño y manufactura de la máquina sino también aspectos relacionados a la concepción de exigencias y requisitos que la máquina necesite, es decir también analiza el entorno de la máquina.
Energía Como la zona de trabajo será en un área rural, distante de una fuente de suministro eléctrico y donde el combustible a base de hidrocarburos no llega con facilidad; la energía de accionamiento deberá ser la disponible en la zona, es decir la energía humana o la de un animal. Actualmente son usados motores de combustión interna para el trabajo siendo estos moderadamente transportables, ruidosos y costosos.
Flujo de trabajo En la construcción de máquinas para este tipo de trabajo (limpieza de granos) la potencia de trabajo debe determinar el volumen de producto con el que se podrá trabajar. Un hombre puede producir en un trabajo continuo alrededor de 110 watts en promedio y un animal de carga en promedio 800 watts (caballos y/o bueyes) Encontrar una máquina de
Funcionamiento sencillo y sin muchos accesorios, que supere los 1000 watts (1.4 HP) es común, pero con un flujo de trabajo superior a los 600 Kg/hora de producto final. Es decir el equipo debe trabajar con la mínima potencia disponible (dependiendo de la fuente) y debe operar un volumen pequeño (para consumo).
Eficiencia La eficiencia para este caso será la relación del producto final (grano limpio) entre la cantidad de producto ingresado (Grano que ingresa), este último valor viene a ser una tendencia usual en la producción (relación de pesos y densidades de los constituyentes), será importante anteponerse y considerar Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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todas las causas que podrían afectar a la perdida de granos en la máquina, como: el incremento de la velocidad del aire, incremento en la cantidad de alimentación, etc. las personas que laboran en el área agrícola l a perdidas de grano deben ser menores al 5% de la cantidad total de grano contenido en la mezcla inicial por lo que la eficiencia deberá ser de 95%.
Peso y Transportabilidad Como el lugar de uso de la maquina será en el sector rural, se desea que tenga poco peso y una geometría adecuada para que pueda ser transportada fácilmente, ya que la geografía o condiciones ambientales a veces dificultan el transporte. Es posible que la maquina sea comprada para alquiler, por ello será indispensable que sea fácil de transportar.
Construcción El equipo debe poder construirse con materiales propios del mercado de la zona de operación y que no tengan costos elevados; además no debe necesitar de procesos complicados de manufactura como fundición, embutido, extrusión, etc. Las herramientas para la fabricación deben ser las comunes en un taller sencillo, como: soldadoras de arco eléctrico, tornillos de banco, arcos de sierras, taladros verticales, etc. La manufactura en máquinas herramientas deberá limitarse a trabajos sencillos como refrentados, acabados superficiales bastos, etc.
Montaje No debe necesitar de conocimientos técnicos para su montaje o desmontaje y debe poder montarse e instalarse en la misma zona de operación, sin el uso de herramientas sofisticadas y complejas (hidráulicas, electrónicas, de gran precisión, etc.)
Geometría y Dimensiones
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Estas deben permitir que la alimentación y operación sean cómodas y sin ningún riesgo para el (los) operario (s). Para poder aprovechar la gravedad, la alimentación debe ser por la parte superior. La altura de la maquina no debe involucrar el uso de apoyos, escaleras o similares, en algún caso limite se debe poder aprovechar algún desnivel del terreno .
2.4. Definición de la terminología. 2.4.1 Definición de Términos
A. Máquina Todo elemento sencillo o complejo que para realizar un trabajo mecánico especifico requiere de un motor .
B. Venteo Técnica para separar la paja y/o cascarillas (broza) del grano.
C. Proceso
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Es un conjunto de actividades o eventos (coordinados u organizados) que se realizan o suceden (alternativa o simultáneamente) bajo ciertas circunstancias con un fin determinado.
D. Productividad Es la relación entre la cantidad de productos obtenida por un sistema productivo y los recursos utilizados para obtener dicha producción.
E. Efectividad Es la capacidad de lograr un efecto deseado, esperado o anhelado.
F. Agricultura Es el conjunto de técnicas y conocimientos para cultivar la tierra y la parte del sector primario que se dedica a ello.
G. Energía Están relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
G. Trabajo Puede definirse como la ejecución de tareas que implican un esfuerzo físico o mental y que tienen como objetivo la producción de bienes y servicios para atender las necesidades humanas.
H. Flujo másico Cantidad de material expresado en unidades de masa, que atraviesa una sección transversal de área en un ducto por unidad de tiempo Kg/s.
I. Trilla Es separar el grano de la planta, mediante impacto y fricción. J. Mecanización Agrícola
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Es una de las ramas de estudio de la Ingeniería agrícola, tiene como objetivo diseñar, seleccionar, estudiar y recomendar máquinas y equipos de uso agroindustrial con el fin de acelerar la productividad y eficiencia de las actividades del sector rural.
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CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1. Tipo y diseño de la investigación 3.1.2 Diseño De La Investigación
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NUEVA REALIDAD
SOLUCION
- Reduccion del tiempo de Diseño de una maquina limpiadora de trigo
PROBLEMA
limpieza.
- Aumento del nivel de automatizacion del proceso.
¿Cómo mejorar el proceso y la efectividad en la limpieza de gránulos de trigo ?
3.2. Población y muestra 3.2.1. Población. Esta investigación se desarrolló en el distrito de Kañaris ,
3.2.2. Muestra. Tomando como muestra la capital del distrito de dónde. Haciendo uso de un muestreo probabilístico del aleatorio simple, se tomaron 10 productores agrícolas. Cabe resaltar que esta muestra ha sido obtenida para validar datos relacionados con las características demográficas de la población (donde se analizaron las distas formas de limpieza de gránulos de trigo tradicional de la población).
3.3. Hipótesis Al diseñar una máquina limpiadora de trigo se lograra una rápida y mejor separación de impurezas para la obtención de grano limpio de trigo para las Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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zonas alto andinas de la región Lambayeque.
3.3.1. Tipo de Investigación Este trabajo se basó en un diseño tecnológico cuasi experimental, ya que empleamos e intentamos ejercer control sobre las variables consideradas de vital importancia para nuestro diseño, y posee una metodología netamente cuantitativa para el análisis de datos.
3.4. Variables a) Variables Independientes: Parámetros del material a doblar (se considera las características del tubo, Angulo de doblado y radio de curvatura)
b) Variables dependientes: Parámetros de la maquina (está referida al diseño la potencia y velocidad de la maquina)
3.5. Operacionalizacion Variable Independient e
Dimensión
Indicadores
Índic e
Técnicas de recolección de datos
PARÁMETRO S DEL
Propiedade s del tubo
Límite de fluencia
Sy
Análisis de documentos
Instrumento s de recolección de datos Guía de análisis de
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Instrumentos de medición -
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Diseño de una maquina limpiadora de trigo con capacidad de 60 Kg/h para las zonas alto andinas del Perú MATERIAL A DOBLAR
Variable dependiente
Geometría del tubo
О
Observación
□
Angulo de doblado
Giro de la matriz
Ф
Observación
Guía de observación
Goniómetro (instrumento para medir el ángulo)
Radio de curvatura
Radio de Matriz
R
Observación
Guía de observación
Vernier
Indicadores
Índic e
Técnicas de recolección de datos
Fuerza
N
Observación
Velocidad
Rpm
Torque
T
Observación / análisis de documentos
Dimensión
Sistema mecánico
DISEÑO DE MAQUINA DOBLADORA
Tipo de perfil
documentos Guía de observación
Potencia
HP
Amperaje
A
frecuencia
HZ
Presión
p
Sistema eléctrico
Sistema hidráulico
Caudal
Q
Observación y Análisis de documentos Análisis de documentos Observación
Instrumento s de recolección de datos Guía de observación Guía de observación / Guía de análisis de documentos Guía de observación / Guía de análisis de documentos Guía de análisis de documentos Guía de observación
Instrumentos de medición Tacómetro Torquiímetro
Vatímetro
Amperímetro Frecuencímetro Manómetro Caudalimetro
3.6. Métodos, técnicas e instrumentos de recolección de datos 3.6.1. Métodos De Recolección De Datos a) Analítico El método de investigación que se optó para el aporte del proyecto de investigación, es el método analítico, el cual proporciono al proyecto distinguir
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los elementos que asociados entre si forman el sistema de la máquina limpiadora de trigo. Luego de distinguir los elementos del sistema la finalidad de este método es la de proceder a revisar ordenadamente cada uno de los elementos, con el objetivo de seleccionar los elementos adecuados para interrelacionar entre si y formar el sistema apropiado. Este método de investigación aporto al proyecto, en la selección de los elementos que conforman el sistema de la maquina li mpiadora de trigo.
b) Sintético Permitirá la recopilación de información de los componentes del sistema electrohidráulico, con el fin de comprender el funcionamiento del sistema, permitiendo su construcción.
c) Inductivo Uno de los métodos de investigaciones empleado en esta tesis, es el método inductivo, este método nos permitió relacionarnos con casos particulares que se asocian a nuestro proyecto de investigación. A partir de estudios de distintas fuentes, es que como se obtienen ideas claras y concisas con el objetivo de no plasmar sistemas ya existentes, es por esta razón que recurrimos a este método ya que nos proporcionara fuentes de información necesaria con la finalidad de mejorar e innovar dichos sistemas. Este método de investigación aporto al proyecto de tesis, en lo que se refiere al diseño del sistema de la maquina limpiadora de trigo.
d) Deductivo Este método permitirá la formación de la hipótesis, investigación de leyes científicas, y las demostraciones.
3.6.2. Técnicas De Recolección De Datos Para validar nuestra investigación se realizaron entrevistas a profesionales expertos en el campo del diseño mecánico, los cuales concluyeron que el
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enfoque de esta investigación es de suma importancia para el desarrollo de estas poblaciones, así como también para la diversificación de la matriz energética a nivel nacional .
I.
Observación
Se medirá la problemática social y económico dentro del campo agricultor dentro de la región.
II.
Entrevista
Con un cuestionario recolectamos datos profundos de las dobladoras de tubos en la región viendo aspectos de calidad, normatividades, tipos de doblado, entre otros.
III. Recolección de datos Se tendrá en cuenta la información de manuales, libros, revistas y tesis.
3.6.3. Instrumentos De Recolección De Datos a) Guías de observación Se realizará a una guía de observación para identificar y evaluar los diferentes tipos de doblado de tubos analizando los productos terminados en aspectos como la calidad, el tiempo y el costo. Los datos los recolectamos directamente en lugares o centros de doblado dentro de la región con el fin de recolectar datos más precisos de nuestras variables.
b) Guía de análisis de documentos Se revisará normas técnicas y ambientales para el proceso de doblado de
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tubos, dadas por Indecopi. Además se tomará en cuenta manuales, para la elección de los dispositivos de control (válvulas,) para el diseño del accionamiento electrohidráulico, así también libros y revistas.
3.7. Procedimiento para la recolección de datos 3.7.1. Diagrama De Flujo De Procesos
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Identificar caracteristicas de los perfiles estruc. Tipo de proceso de doblado a utilizar Calculo de la fuerza de doblado Seleccion de cilindros hidraulicos Seleccion de equipos electrohidraulicos Modelamiento en sofware cad
Analisis mediante el sofware FEA
3.7.2. Descripción De Procesos a) Identificar las características del material Se recolecta datos de los perfiles estructurales LAC y tubos SCH 40 mediante los métodos de recolección de datos en los cuales obtendremos datos como geometría, longitud, límite de fluencia.
b) Tipo de proceso de doblado a utilizar En nuestro diseño utilizaremos el proceso de doblado por arrastre porque es el adecuado para doblar tubos de buen espesor y sin mandril interior.
c) Determinación de la fuerza de doblado Para diseñar la maquina dobladora debemos calcular: la fuerza de doblado para los tipos de perfiles estructurales a utilizar.
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d) Selección de cilindros hidráulicos De acuerdo a nuestra fuerza de doblado se podrá seleccionar el tipo de pistón hidráulico, carrera del vástago y presión.
e) Selección de equipos electrohidráulicos De acuerdo a nuestra presión hidráulica serán seleccionados todos los accesorios para el accionamiento electrohidráulico.
f)
Modelamiento en software CAD
Los componentes y accesorios que conforman la maquina dobladora serán realizados para su respectiva simulación de funcionamiento
g) Análisis mediante el software FEA A los elementos más críticos de la maquina se realizara un análisis de elementos finitos.
3.8. Principios éticos Los criterios de éticos a utilizar en nuestro proyecto serán los siguientes:
El consentimiento informado: El uso del consentimiento informado responde a una ética kantiana donde los seres humanos deben ser tratados
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como un fin en sí mismos y nunca como un medio para conseguir algo. Así, los participantes del estudio deben estar de acuerdo con ser informantes y, a su vez, deben conocer tanto sus derechos como sus responsabilidades dentro de la investigación
La confidencialidad: Los códigos de ética hacen énfasis en la seguridad y protección de la identidad de las personas que participan como informantes de la investigación. La confidencialidad se refiere tanto al anonimato en la identidad de las personas participantes en el estudio, como a la privacidad de la información que es revelada por los mismos, por tanto, para mantenerla se asigna un número o un pseudónimo a los entrevistados.
Manejo de riesgos: Dos aspectos se deben considerar para minimizar los riesgos a los participantes en la investigación. El primero se refiere a que el investigador deberá cumplir con cada una de las responsabilidades y obligaciones adquiridas con los informantes; el segundo está relacionado con el manejo posterior de los datos proporcionados. Se tomó en cuenta también el código ético de nuestra profesión como ingenieros como lo indica en el CIP, la cual a continuación se cita: Código de ética del CIP (Colegio de Ingenieros del Perú) Aprobado en la III Sesión Ordinaria del Congreso Nacional de Consejos Departamentales del Periodo 1998 – 1999 en la ciudad de Tacna 22, 23 y 24 de Abril de 1999. Título I, de la Relación con la Sociedad
Art.4.- Los ingenieros reconocerán que la seguridad de la vida, la salud, los bienes y el bienestar de la población y del público en general, así como el desarrollo tecnológico del país dependen de los juicios, decisiones incorporadas por ellos o por su consejo, en dispositivos, edificaciones, estructuras, máquinas, productos y procesos. Por ninguna razón pondrán sus conocimientos al servicio de todo aquello que afecta la paz y la salud.
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3.9. Criterios de rigor científico Los criterios de rigor científico a utilizar en nuestro proyecto serán los siguientes:
Fiabilidad y validez: La fiabilidad y la validez son cualidades esenciales que deben tener las pruebas o los instrumentos de carácter científico para la recogida de datos, debido a que garantizan que los resultados que se presentan son merecedores de crédito y confianza.
Credibilidad o valor de la verdad: El criterio de credibilidad o valor de la verdad, también denominado como autenticidad, es un requisito importante debido a que permite evidenciar los fenómenos y las experiencias humanas, tal y como son percibidos por los sujetos. Se refiere a la aproximación que los resultados de una investigación deben tener en relación con el fenómeno observado, así el investigador evita realizar conjeturas a priori sobre la realidad estudiada.
Transferibilidad o aplicabilidad: La transferibilidad o aplicabilidad consiste en poder trasferir los resultados de la investigación a otros contextos. Si se habla de transferibilidad se tiene en cuenta que los fenómenos estudiados están íntimamente vinculados a los momentos, a las situaciones del contexto y a los sujetos participantes de la investigación.
Consistencia o dependencia: Conocido a su vez como replicabilidad, este criterio hace referencia a la estabilidad de los datos.
Confirmabilidad o reflexividad: Denominado también neutralidad u objetividad, bajo este criterio los resultados de la investigación deben garantizar la veracidad de las descripciones realizadas por los participantes. La confirmabilidad permite conocer el papel del investigador durante el trabajo de campo e identificar sus alcances y limitaciones para controlar los
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CAPITULO IV: ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS
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4.1. Selección y diseño del sistema mecánico de limpieza de trigo. Se determina primero los sistemas de limpieza actuales en el mercado, para luego diseñar el sistema mecánico del proceso de limpieza del café , se analiza y evalúa por medio de una MATRIZ MORFOLÓGICA, la cual se obtuvo de evaluar tanto técnica como económicamente varias propuestas de sistema mecánico de limpieza. La matriz morfológica ser la base principal para la elección de los distintos elementos electromecánicos de la maquina; con sustento mediante fórmulas. Antes de toda matriz morfológica debemos conocer la caja negra de la máquina y los procesos técnicos qué involucran el proceso de limpieza del trigo,
4.1.1. Caja Negra Figura 25: Caja negra de la maquina
Fuente:(Elaboración Propia)
ENTRADAS:
Material: Mezcla de broza con granos de trigo.
Energía : Energía Mecánica.
Señal
: inicio de funcionamiento.
SALIDAS:
Material: Broza y trigo en forma separada.
Energía : Calor, vibraciones y energía cinética.
Señal
: Indicador de correcto funcionamiento.
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4.1.2. Procesos Técnicos. En la maquina limpiadora de trigo se han observado 5 procesos básicos: a) Almacenar mezcla b) Transportar la mezcla (granos de trigo y broza) c) Acondicionar la mezcla (esparcir para evitar que se formen bloques) d) Separar la broza del trigo e) Almacenar los productos de la mezcla separados en el proceso. 4.1.3. Estructura de funciones. Figura 26: Estructura de funciones
Fuente:(Elaboración Propia)
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4.1.4. Matriz morfológica.
1
ALIMENTAR
2
ALMACENAR
3
GENERAR
4
TRANSMITIR
5
TRANSPORTAR
6
ACONDICIONAR
7
SEPARAR
8
RECOGER GRANO
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4.1.5. Conceptos de solución: Se empezó realizando una evaluación tomando valores del 1 al 4, donde: 0: No aceptable;
2: Suficiente;
1: poco satisfactorio
3: Satisfactorio
4: Muy satisfactorio;
La calificación se muestra en la siguiente tabla: Tabla 2: Criterios Técnicos Económicos
N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Criterios técnicos y económicos Estabilidad Número de operarios Facilidad de manejo Buen uso de fuerza Costo de tecnología Costo de operación Seguridad Rapidez Facilidad de montaje Posibilidad de Automatización Suma Total
Conceptos de solución
01
02
03
04
05
3 4 2 2 4 4 3 2 3 4
4 4 3 2 2 3 3 2 3 4
4 4 3 3 3 4 4 3 3 4
3 4 4 3 3 3 3 4 3 3
4 4 4 4 3 3 3 4 4 3
31
30
35
32
36
Fuente: Elaboración Propia
Como podemos observar el concepto de solución 3, 4 y 5 son los que mayor puntaje obtuvieron, entonces con estos tres proyectos de solución que ahora llamaremos proyectos preliminares se realizara una evaluación más profunda para determinar la solución más factible tanto técnica como económica. Se procede a describir los diseños preliminares a continuación.
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Proyecto preliminar 1: (concepto de solución 3) La alimentación de la mezcla se hará de forma manual almacenando en la tolva donde un mecanismo de 4 bielas será la fuente de generación de la energía y que será trasmitida mediante sistema de poleas, además el trasporte de la mezcla de hará mediante un alimentador vibratorio y el acondicionamiento se hará de forma manual por un operario, la separación se realizara mediante flujo de aire oblicuo y la separación ambos componentes de la mezcla serán almacenados en su propio deposito.
Proyecto preliminar 2: (concepto de solución 4) La mezcla será alimentada mediante un pistón. Hacia la tolva la energía se generara por un mecanismo de 4 bielas para ser trasmitida mediante fajas, el transporte de la mezcla se hará mediante un alimentador vibratorio para poder esparcir la mezcla y esta cuando sea difícil de separar por la maquina se hará de forma manual su acondicionamiento para luego ser separa por el flujo oblicuo de aire, después se almacenara solo el trigo limpio.
Proyecto preliminar 3: (concepto de solución 5) La mezcla se proporcionara de manera manual por el operador hacia la tolva, la energía será suministrada por un motor monofásico, la transmisión será mediante fajas. La mezcla se transportara mediante un alimentador vibratorio para ser separada mediante un flujo de aire oblicuo y ambos productos serán depositados de forma separada. Se presenta la evaluación de proyectos preliminares en dos tablas, tabla 3 y tabla 4, una evaluando únicamente la parte técnica y la otra la parte económica. Se tienen las siguientes consideraciones: p: puntaje de 0 a 4 (Escala de valores según VDI 2225)
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0 = No satisface, 1 = Casi aceptable, 2 = Suficiente, 3 = Bien, 4 = Muy bien (ideal) g: el peso ponderado está en función de los criterios de evaluación. Tabla 3: Evaluación de proyectos preliminares según el valor técnico
DISEÑO MECÁNICO - EVALUACIÓN DE PROYECTOS Valor Técnico (Xi) Proyecto: Máquina Limpiadora de Trigo
Área de Diseño
Criterios de evaluación para diseño en fase de conceptos o proyectos
Solución Solución Solución Solución 1 2 3 Ideal
Variantes de Proyectos
g
P
gp
p
gp
p
gp
p
gp
1
Criterios de Evaluación Función
9
3
27
3
27
3
27
4
36
2
Forma
8
2
16
3
24
3
24
4
32
3
Diseño
8
3
24
3
24
3
24
4
32
4
Seguridad
8
3
24
3
24
4
32
4
32
5
Ergonomía
6
3
18
2
12
3
18
4
24
6
Fabricación
7
3
21
2
14
3
21
4
28
7
Sencillez de operación
7
3
21
3
21
3
21
4
28
8
Montaje
6
3
18
2
12
3
18
4
24
9
Transporte
5
3
15
3
15
4
20
4
20
10 Mantenimiento
8
3
24
3
24
4
32
4
32
29
208
27
197
33
237
-
288
Valor Técnico Xi
-
0.72
-
0.68
-
0.82 -
1.00
Orden
-
2
-
3
-
N°
Puntaje máximo ∑p ó ∑gp
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1
-
-
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Tabla 4: Evaluación de proyectos preliminares según el valor económico
DISEÑO MECÁNICO - EVALUACIÓN DE PROYECTOS Valor Económico (Yi)
Área de Diseño
Proyecto: Máquina moledora de café Criterios de evaluación para diseño en fase de conceptos o proyectos
N°
Criterios de Evaluación
Solución Solución Solución Solución 1 2 3 Ideal g p gp p gp p gp p gp
1
Función
7
3
21
3
21
3
21
4
28
2
Forma
7
3
21
3
21
3
21
4
28
3
Diseño
8
3
24
3
24
3
24
4
32
4
Seguridad
6
3
18
3
18
3
18
4
24
5
Ergonomía
6
3
18
3
18
3
18
4
24
6
Fabricación
8
3
24
2
16
3
24
4
32
7
Sencillez de operación
7
4
28
2
14
3
21
4
28
8
Montaje
6
3
18
2
12
3
18
4
24
9
Transporte
6
3
18
3
18
4
24
4
24
10 Mantenimiento
8
3
24
2
16
4
32
4
32
31
214
26
178
32
221
-
276
Valor Técnico Xi
-
0.78
-
0.64
-
0.8
-
1.00
Orden
-
2
-
3
-
1
-
-
Variantes de Proyectos
Puntaje máximo ∑p ó ∑gp
Fuente: Elaboración propia
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Figura 27: Grafica lineal de la escala valorativa del aspecto aspecto técnico y económico.
Escala Valorativa Técnica vs Escala Valorativa Económica 1.00
Proyecto Pr Preliminar 1
Proyecto Pr Preliminar 2
Solución Ideal
Linear (Solución Ideal)
Proyecto Pr Preliminar 3
0.90 0.80 0.70
Y a c i m0.60 ó n o c E 0.50 n ó i c a r 0.40 o l a V
0.30 0.20 0.10 0.00 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Valoración Técnico X
Fuente: Elaboración propia
En la sisuiente grafica se puede apreciar que el proyecto preliminar 3 es mucho mas factible en lo tecnico y economico, economico, la grafica muestra la solucion ideal con una linea de color amarilla; Y los tres puntos son los proyectos preliminares, se observa que el proyecto preliminar 3 esta mucho mas cerca a la linea ideal, de este modo se procedera a realizar el calculo de todos los componentes y elementos de maquinas que estaran presentes en este proyecto preliminar.
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4.2. Características del trigo y la broza. En lo concerniente a la dimensión del trigo, esta característica es muy variable dada la gran gama de trigos cultivados y condiciones de humedad y sanidad con que se presentan. En general los granos varían en su largo de 5 a 8 mm. Y en su ancho de 2.5 a 4 mm, pero un cierto porcentaje sale de estos límites. Los granos hinchados pueden exceder los 4 mm de ancho y a menudo se encuentran algunos con un largo de 3 a 5 mm. Y ancho de 1.5 a 2.5 mm que por ser iguales en tamaño a muchas impurezas, hacen muy difícil su separación. La figura geométrica más parecida a la de un grano de trigo es el elipsoide, cuyo volumen (v) (v) y superficie (s) son: Ecuación 1: Volumen de un grano de trigo
0.523 2.220 + . . 1.5 ⁄ 0.75 ⁄ Ecuación 2: Superficie de un grano de trigo
Donde:
.
En tanto el peso específico absoluto de un grano de trigo es de . Para un trigo a granel, varía según la calidad humedad
y variedad y puede considerarse en general igual a
Es usual expresar el peso específico del trigo a granel en kilogramos
por Hectolitro. Este índice es afectado por el peso específico absoluto de cada grano, la forma en que están encerrados en el cilindro de ensayo, humedad
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espesor de la corteza sanidad y porcentaje de impurezas, el
/ℎ
da una idea del rendimiento y por tanto del valor del
trigo. Con la visita que se hizo a la al distrito de cañarís se pudo corroborar
que
de
1
hectárea
se
obtiene
(se
cosecha)
aproximadamente 500 Kg de grano limpio lo cual permite usar la información brindada en dicho trabajo trabajo para las características características de la mezcla, que son Tabla 5 : Porcentaje de componentes en la mezcla a trabajar
Gránulos & Broza Grano limpio (trigo)
Porcentaje 18 %
Broza corta y cascarilla
8%
Broza larga (tallo)
74 %
(David A. V.Dendy, 2001)
Dependiendo de la técnica de siega y del proceso anterior al venteado (el trillado) el tamaño de la broza puede variar entre 15 a 60 cm, que se considera broza larga la cual es complicada de separar de los granos en una corriente de aire, por ello son retirados con anticipación de la mezcla, en los procesos de venteado. La broza corta (longitud menor a 15 cm) y las cascarillas pueden ser retiradas con facilidad en el venteado, por ello se asume que la mezcla que ha de ingresar a la máquina estará libre de broza larga, llegándose a obtener casi un 50% de grano limpio de la mezcla a trabajar. t rabajar. Al final del venteado se deberá obtener granos limpios y pajilla como desecho (Fig.16).
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Figura 28: Productos finales de un proceso de venteado
Elaboración propia
Se sabe que la densidad del grano de trigo es de 1420 Kg/m 3 mientras la densidad de la mezcla (grano y broza) es relativa pues dependerá de la condición de aplastamiento de la mezcla, de la humedad, etc. En un el trabajo experimental se indica que para un porcentaje de 30% de broza corta la densidad de la mezcla es aproximadamente 200 Kg/m3. Con la información presentada se podrá entender el siguiente esquema: Figura 29: Esquema general del proceso
Elaboración propia
en la siguiente tabla se realizo una muestra considerando las mediciones de las longitudes del trigo para encontrar los valores reales del trigo de la localidad de cañaris:
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Tabla 6: valores de la muestra realizada
Mediciones
d (mm)
D (mm)
Velipsoide (mm3)
Velipsoide (m3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 MEDIA
4 4 5 3 3 5 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 5 4 4 3.1
6.00 6.33 6.33 7.33 6.00 6.00 7.67 6.00 6.33 8.00 6.33 6.00 6.00 6.33 6.33 6.00 7.67 6.67 7.33 7.50 6.8
256.00 288.00 320.00 213.33 256.00 293.33 234.67 256.00 320.00 293.33 320.00 293.33 373.33 320.00 320.00 373.33 224.00 346.67 213.33 224.00 285.74
2.56E-07 2.88E-07 3.20E-07 2.13E-07 2.56E-07 2.93E-07 2.35E-07 2.56E-07 3.20E-07 2.93E-07 3.20E-07 2.93E-07 3.73E-07 3.20E-07 3.20E-07 3.73E-07 2.24E-07 3.47E-07 2.13E-07 2.24E-07 2.86E-07
Fuente:(Elaboración Propia)
Los datos finales fueron resumidos en la tabla 17. Tabla 7: Características del Trigo
Propiedades del Trigo NOMBRE
Ancho del grano
Largo del grano
N° de granos por litro
Masa de 1000 granos
Medida
3.1 mm
6.8 mm
20000
37.5
Densidad
760 kg/m3
Fuente:(Elaboración Propia)
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4.3. Partes de la maquina limpiadora de trigo El diseño de esta máquina va a estar comprendida a continuación de 7 partes fundamentales para el proceso de limpiado.
a) Tolva. b) Alimentador vibratorio. c) Ducto de broza. d) Ducto de grano limpio. e) Motor. f) Estructura base. g) Sistema de ventilación La figura 30 muestra las partes que componen la máquina. Figura 30: Partes de la maquina dobladora
Fuente:(Elaboración Propia)
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4.4. Sistema Mecánico De La Máquina limpiadora de trigo. En éste capítulo se procede a realizar los cálculos para el diseño y selección de los diferentes componentes que conforman la máquina Limpiadora de trigo, tomando como base las características de la mezcla (broza y trigo). De acuerdo a las exigencias, la máquina deberá ser capaz de limpiar 86 Kg/ h de los cuales 60 Kg/ h es de trigo y el restante es de la broza. Cabe destacar que los cálculos se harán en base a las características del trigo ya mencionado, así de esta forma garantizar un buen funcionamiento en la misma.
4.4.1. Cálculo y diseño de la tolva de alimentación. Se tomó en consideración la norma DIN 1055 – 6:2005-03, la cual hace referencia al diseño de silos o tolvas de alimentación. Se seleccionó el material adecuado a las normas de salubridad, tomando en cuenta que se trata de procesamiento de alimento y de acuerdo a la LEY Nº 29571 - CÓDIGO DE PROTECCIÓN Y DEFENSA DEL CONSUMIDOR, la cual establece en el Artículo N° 30, del Sub Capítulo II - Protección de los consumidores en los alimentos, Capítulo IV - Salud y seguridad de los consumidores, TÍTULO I: Derechos de los consumidores y relación consumidor proveedor, el cual textualmente dice:
Artículo 30 Inocuidad de los alimentos Los consumidores tienen derecho a consumir alimentos inocuos. Los proveedores son responsables de la inocuidad de los alimentos que ofrecen en el mercado, de conformidad con la legislación sanitaria. En el caso del presente diseño se consideró el acero galvanizado ASTM A653, por sus propiedades de resistencia a la oxidación o corrosión. Además Para el diseño de la tolva se consideró previamente los
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siguientes requerimientos que debe cumplir.
a) El material de la tolva no debe reaccionar químicamente con la mezcla (broza y grano).
b) El material de la tolva debe impedir la proliferación de contaminantes biológicos.
c) El material de la tolva debe ser resistente a la fricción con el producto.
d) La capacidad de la tolva debe permitir un bulto de 50 Kg. e) La tolva debe soportar el peso del bulto de la mezcla sin deformarse.
f) Que sea desmontable para su limpieza y mantenimiento. g) Que se pueda fijar correctamente a la maquina limpiadora para garantizar una alimentación continua a esta. h)
Para garantizar un flujo continuo del producto dentro de la tolva se tomó una inclinación de α = 60 grados. Figura 31: Diseño de la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
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Según FOPPL, (1945), TABLAS Y ABACOS para el cálculo de resistencia de materiales, Para determinar el espesor necesario de la tolva de alimentación se considera un rectángulo limitado por rectas paralelas a los ejes coordenados en la figura 32, se indica a la tolva como una superficie rectangular empotrada en sus 4 lados Figura 32: Placa rectangular empotrada
Fuente:(Elaboración Propia)
Donde: Ecuación 3: Carga en el eje X
∗ ∗ + ; ; ∗ Ecuación 4: Carga en el eje y
∗ ∗ + ; ∗ + ; ∗ >,>, > Si,
entonces
. La mayor tensión tiene un
valor de:
Ecuación 5: Máxima tensión en la coordenada X
á ∗
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Por lo tanto para una placa empotrada en sus cuatro lados bajo una carga uniforme el espesor se calcula con la expresión: Ecuación 6: Espesor de la placa de la tolva
∗∗
Donde
= Espesor de la placa, mm. = Máxima tracción admisible, Mpa. = carga que soporta la tolva, N. = Ancho de la tolva de alimentación, m. = coeficiente numérico dependiente de la reacción de las
dimensiones de la placa λ. El valor de λ se determina con la expresión: Ecuación 7: Reacción de la placa
Siendo b el lado más grande de la tolva de alimentación por lo tanto
el valor de como se muestra en la figura 33. Figura 33: coeficiente para el cálculo del espesor necesario de una placa
FOPPL, (1945), TABLAS Y ABACOS
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.
Para obtener el valor de se remplazó los datos en la ecuación 5 Teniendo como resultado
Figura 34: Dimensiones de la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
Llevando este resultado a la figura 28 podemos obtener el valor de
Con los datos de
. y
que corresponden a las medidas
de largo y ancho de la tolva de alimentación, entonces se determinó el espesor de la chapa metálica con la ecuación 6.
. ∗. ∗. . . En el mercado existen planchas galvanizadas de espesor: de 0.3 hasta 1.5 mm, Se toma el espesor del cual soportara la carga. La tolva de alimentación debe cumplir con los requerimientos de carga, para eso se empleó acero galvanizado ASTM A653 ( ver Anexo A)
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Para determinar el volumen de la tolva se analizara como si fuera un área rectangular pero dividida entre 2. Su fórmula será entonces: Ecuación 8: Volumen de la tolva
2
Donde c será el alto de la tolva Figura 35: Dimensión C de la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
Remplazando los datos en la ecuación tenemos:
0.42 0.26 0. 35 0.0441 Conocido el volumen de la tolva se calculara la cantidad de kilogramos que puede ingresar para ello utilizaremos la densidad del trigo en la siguiente ecuación:
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Ecuación 9: Capacidad de carga de la tolva
760 0.0441 33.516 kg
Donde m es la masa del trigo
Como podemos ver la capacidad de carga del trigo es de 33.5 Kg pero en los calculo con el software FEA se realizara para una capacidad de 50 Kg o 490 KN. De este modo se da por concluido el cálculo teórico de la tolva.
4.4.2. Análisis de la tolva mediante elementos finitos Luego de realizar el diseño teórico de la tolva se modelo y se simuló el modelo en Elementos Finitos utilizando el software Solidworks en la figura 29 se aprecia la tolva sometida a cargas externas. Figura 36: Tolva sometida a fuerzas en software FEA
Fuente:(Elaboración Propia)
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En la tabla N° 8 se aprecia los resultados del análisis. Tabla 8: Resultado del análisis estático de la tolva
Resultados del Análisis Estático de la Tolva Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
87.9522 N/m^2
6.60653 x 107N/m^2
mises
URES:
Desplazamientos
Desplazamiento resultante
0.0 mm
2.3 mm
Factor de seguridad
Automático
3.08
2318800
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico:
Acero galvanizado ASTM A653
Límite de tracción:
3.56 x 108 N/m^2
2.03 x 108 N/m^2
Fuente:(Elaboración Propia)
El esfuerzo máximo que genera a las cargas externas es menor que el límite elástico del material dando como resultado un factor de seguridad de 3.1 y un desplazamiento de 2.3 mm como se puede apreciar y para evitar esta deformación se procederá a diseñar la fase de sujeción de la tolva justo en el lado donde se presenta la deformación para de este modo evitarla.
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Figura 37: Análisis estático tensiones en la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
De la imagen se concluye que el esfuerzo de Von Misses para una fuerza de
490 KN 203.9 MPA 87.9522 ⁄ 660653 ⁄ , oscila entre
un límite elástico de
y
, para
, con lo cual se concluye que el diseño
de la tolva es adecuado para las condiciones de almacenaje de 50 Kg de trigo.
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Figura 38: Análisis estático - Desplazamientos en la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
De la figura 38 se concluye que la deformación que sufre la tolva para una carga de 490 KN, oscila entre a 1.00x10 -30 y 2.389 mm, es decir se obtuvo una deformación máxima de 0.2 mm, una deformación pequeña comparado con las magnitudes de la tolva. Figura 39: Análisis estático – Factor de seguridad de la tolva
Fuente:(Elaboración Propia)
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De la figura 39 se puede concluir que el factor de seguridad mínimo de la tolva es de 3.08 con este valor se garantiza que las dimensiones que se tomaron para el diseño de la tolva son las adecuadas en la siguiente figura se muestra el enmallado que se realizó a la tolva para mejorar su análisis con el software. Figura 40: Enmallado de la tolva de alimentación
Fuente:(Elaboración Propia)
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4.4.3. Diseño del sistema alimentador vibratorio. La potencia necesaria y las condiciones de movimiento para el sistema de mesa vibratoria son transmitidas a través de su mecanismo principal (biela-manivela) como se muestra en la figura 41 Figura 41: Mecanismo del alimentador vibratorio
Fuente:(Elaboración Propia)
Este mecanismo consiste básicamente en un eje que tiene una barra excéntrica que hará de manivela y el alimentador en si será la biela y un canal de guía horizontal hará que un extremo del alimentador se desplace solo en forma horizontal ver figura 42 Figura 42: Vista lateral del alimentador vibratorio
Fuente:(Elaboración Propia)
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Esta configuración permite movimientos elípticos del alimentador, lo cual favorece a desenredar los restos de broza larga entrelazada por acción del movimiento y después permite transportar horizontalmente la mezcla hacia la salida. En la siguiente figura 43 se muestra el modelo del alimentador vibratorio que esta articulado en 1; 2 y en 3 se permite el desplazamiento horizontal. Figura 43: Alimentador Vibratorio
Fuente:(Elaboración Propia)
La ecuación característica de la biela manivela (teoría de máquinas y mecanismos de Joseph Edward Shigley.
Ecuación 10: Desplazamiento del alimentador vibratorio.
av 4 +cos+ 4 cos2 1sin1+ 2 sin21 Ecuación 11: Velocidad del alimentador vibratorio.
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Ecuación 12: Aceleración del alimentador vibratorio.
Donde:
1sin12 + 2 sin21 1 cos1 +cos21
r exc : Radio excéntrico (m) ωeje1 : Velocidad angular del eje 1(rpm)
l
: Longitud de la manivela
t
: Tiempo
Además debemos conocer la aceleración del alimentador vibratorio tanto en la subida como en la bajada para eso debemos conocer las siguientes ecuaciones: Ecuación 13: Aceleración del alimentador vibratorio de subida.
cos sin
Ecuación 14: Aceleración del alimentador vibratorio de bajada.
cos sin
Además para el correcto funcionamiento del alimentador vibratorio se debe satisfacer la siguiente ecuación.
< <
Ecuación 15: Aceleración del alimentador vibratorio de bajada.
En la búsqueda se información SILVEIRA, JUAN A, (Teoría y cálculo de máquinas agrícolas) recomienda que los sacudidores deben
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trabajar entre 190 y 220 rpm con una manivela de 50 mm para conseguir la mayor expansión de la broza durante la caída y la menor compresión de la capa durante la acción que sobre ella ejerce el sacudidor según el grafico de la figura 37 al aumentar la frecuencia aumenta la velocidad media de la broza sobre el sacudidor siendo la velocidad de transporte de 0.3 m/s cuando el alimentador está a 200 rpm . El autor menciona que además disminuye la capa de broza y por otro lado se acorta el tiempo de estancia de ella sobre el sacudidor Así que para los cálculos previos se considerara una frecuencia de 200 rpm y una manivela de 50 mm y una velocidad de transporte de 0.3 m/s. Figura 44: Esquema cinemático de sacudidores
Fuente:( SILVEIRA, JUAN A, (Teoría y cálculo de máquinas agrícolas))
Considerando que la bandeja es de plancha galvanizada y tiene 480 mm de ancho y dos pliegues lateras de 100 mm cada uno, desplegada la bandeja tendrá 1.0 m de largo y 680 mm de ancho; además, eligiendo un espesor de 1.5 mm, y asumiendo sobre ella 25 Kg de mezcla tenemos los siguientes datos para el diseño
1000∗680∗1.5∗10− ∗7860+2533.01 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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En análisis de elementos finitos con el software Soliwork dio como resultado los siguientes datos de la bandeja del alimentador vibratorio: Tabla 9: Resultados del análisis estático con software FEA
Resultados del Análisis Estático de la Bandeja del Alimentador Vibratorio Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
3918.28 N/m^2
5.61 x 106N/m^2
0.0 mm
0.33 mm
3.6
52049.2
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
Acero galvanizado ASTM A653 2.03 x 108 N/m^2 3.56 x 108 N/m^2
Fuente:(Elaboración Propia)
Como podemos apreciar en la figura 37 se observa que el esfuerzo máximo es menor que el límite elástico del material, en la figura 38 apreciamos que el desplazamiento es de 0.33 mm y que el factor de seguridad es de 3.6 como observamos en la figura 29. E n conclusión la bandeja no fallara por resistencia mecánica. Figura 45: Análisis estático - Tensiones en la bandeja
Fuente:(Elaboración Propia)
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Figura 46: Análisis estático - Desplazamientos en la bandeja
Fuente:(Elaboración Propia)
En la figura 46 se aprecia que el desplazamiento máximo en la bandeja es de 0.33 mm Figura 47: Análisis estático - Factor de seguridad
Fuente:(Elaboración Propia)
En la figura 47 se aprecia que el factor de seguridad mínimo del material es de 3.6; este valor nos indica que la bandeja no fallara por resistencia mecánica
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En la siguiente tabla tenemos los datos que son de más importancia para el análisis del alimentador vibratorio Tabla 10 : Datos de análisis del alimentador vibratorio
Elemento Manivela variable rexc ue αb valor 0.0225 m 30° 0.74 Velocidad de transporte Longitud del alimentador Max. carga en el alimentador Masa total alimentador
Biela uc 0.57
l 0.05 0.3 m/s 1000 x 480 x 2.0 mm 25 kg 33.01 Kg
m -
Fuente:(Elaboración Propia)
Figura 48: Esquema del alimentador vibratorio
Fuente:(Elaboración Propia)
Remplazando los datos en la ecuación 9 y 10 tenemos:
9.si81 n30 1.4635 cos30 0.74 9.si81 n30 0.9623 cos30 0.57
Con estos resultados se realizó la siguiente grafica (ver figura 42) para determinar la velocidad angular del eje 1 teniendo en cuenta la ecuación 8 en el momento del arranque t=0 (en este instante la aceleración es máxima y se observa que
depende de ωeje1)
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Figura 49: Grafica
Fuente:(Elaboración Propia)
En la gráfica observamos que la velocidad optima la podemos obtener con los valores de las aceleraciones tanto se subida como de bajada del alimentador vibratorio, están entre un rango de 175 rpm y 225 rpm de esta forma se puede puede corroborar los datos de SILVEIRA, JUAN A, (Teoría y cálculo de máquinas agrícolas)
4.4.4. Evaluación Evaluación de la l a vibración de la máquina. Para justificar si la maquina trabajara con una nivel de vibración aceptable se recurrirá a la carta de RATHBONE la cual cual tiene una extensa aceptación en el ambiente industrial. La carta dispone de dos escalas logarítmicas, frecuencias en hercios Hz y amplitudes en desplazamiento, mediante las que se podrá determinar directamente la severidad de la vibración. Para el siguiente análisis se utiliza la siguiente ecuación: Ecuación 16: Amplitud
2 cos Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Remplazando datos tenemos teniendo en cuenta a t = 0 se tiene la máxima amplitud
0.045
Para analizar este resultado en la tabla de Rathbone Rathbone se convierte las las unidades de metros a milésimas de pulgada.
3.5039
Figura 50: Grafica de Rathbone
Fuente:( Budynas & Keith Nisbett, 2008)
En la gráfica de rathbone podemos interceptar los 200rpm y los3.5039
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100
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mil de la amplitud y podemos observar que se encuentra en la diagonal de muy bueno en el nivel de vibración.
4.4.5. Análisis Análisis estático del sistema Biela manivela El diagrama de cuerpo libre del mecanismo biela - manivela y sus respectivas componentes en el plano X – Y se puede apreciar en la figura 51. Figura 51: DCL del mecanismo Biela - manivela
Fuente:(Elaboración Propia)
Aplicando relaciones trigonométricas podemos expresar las siguientes ecuaciones donde la fuerza que el alimentador vibratorio será la componente horizontal F2x: Ecuación 17: Componente H
+cos∅ ∅ cos∅1 Ecuación 18: Valor de Cos
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101
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∅ .
Ecuación 19: Componente Co mponente
Donde: T
: torque
l
: longitud de la bandeja.
r exc exc : radio excéntrico En la siguiente imagen se muestra las fuerzas a vencer en el punto 2 Figura 52: DCL del punto 2
Fuente:(Elaboración Propia)
Ecuación 20: Valor de
+
F2x = fuerza para vencer la masa de los productos + la fuerza necesaria para vencer la inercia del equipo
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Ecuación 21: Fuerza para vencer la masa de los productos
.
Donde el peso que se tiene en el alimentador vibratorio será de 300.75 N
181.3
Para el cálculo de la fuerza inercial del alimentador se necesita conocer La masa de este y se obtuvo de las propiedades físicas que analiza el programa Soliwork Para el cálculo utilizaremos la siguiente ecuación Ecuación 22: Fuerza Inercial
. 349. 6 9 1. 7 5 612.08 181.3+612. + 08 793.38 Remplazando los datos en la ecuación del torque tenemos: Ecuación 23: Torque
+ 1 cos [ ] 17.58 .
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En la gráfica de la figura 53 se aprecia el torque que se genera con respecto al ángulo que forma la bandeja. Figura 53: Grafica Torque - ángulo
Fuente:(Elaboración Propia)
En la gráfica podemos apreciar que el torque aumenta con respecto al ángulo que toma la bandeja del alimentador, el sistema llega a tomar un ángulo de 80° el cual el torque será de 17.58 N. La potencia máxima que necesitamos para mover el alimentador vibratoria la podemos calcular con la siguiente formula Ecuación 24: Potencia del alimentador.
∗ 17.36958 .≈0. ∗2149/ ℎ
En la potencia del alimentador se necesitó convertir las rpm a rad/s.
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4.4.6. Diseño del eje excéntrico Debido que se desea un mecanismo para lograr la función de la manivela se optó por un eje excéntrico (figura 47) para cumplir con las necesidades del mecanismo que necesita la máquina. Figura 54: Eje excéntrico.
Fuente:(Elaboración Propia)
El eje con sus respectivos conponentes se aprecia en la siguiente figura Figura 55: Eje y sus componentes
Fuente:(Elaboración Propia)
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A). Calculo Teórico Dlc del eje principal con las fuerzas que actúan sobre el Figura 56: DLC del eje
Fuente:(Elaboración Propia)
Se desarrollará el análisis de fuerzas en los planos (x-y) y posteriormente (x-z). Datos: Fav = 793.38 N T1 = 17.58 N-m Øp = 260 mm (Diámetro de la polea) Angulo (β) = 42º Se procederá a descomponer las F av en sus componentes Favy = 780.95 N Favz = 137.70 N Para el cálculo de las fuerzas que están presentes en la polea se analizara de la siguiente forma.
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Figura 57: Dlc en la polea.
Fuente:(Elaboración Propia)
Donde T1 y T2 son las tensiones en la correa y el ángulo es de 42° Entonces utilizaremos las ecuaciones de equilibrio. Ecuación 25: Ecuaciones de Equilibrio
0 ; 0 12 12 12
Para este caso como no son conocidas las tensiones utilizaremos la fuerza para vencer la masa de los productos en este caso es:
181.3
y conocido el ángulo tenemos entonces:
135.26 N 121.788 N
Conocidas las fuerzas se procede a realizar el análisis de fuerzas en el plano XY. Ver figura 58
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Figura 58: Análisis de fuerzas Plano XY
Fuente:(Elaboración Propia)
Ecuación 26: Ecuación de equilibrio de Momentos.
0 230 460 + 5600 230460 +Fr1560mm . 0 +Favy+10 Favy+1 .. Ecuación 27: Ecuación de equilibrio Fuerzas.
Cálculo de los momentos flexionantes:
d 0.460 247.247.5959 . Ecuación 28: Momentos flexionantes.
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110.560 68.2 . 0.230 83.83.83 . Una vez que se ha calculado las reacciones en los apoyos del eje se procederá a dibujar los diagramas cortante y de momento respectivamente. Ver figura 59.
Figura 59: Diagrama de cortante y momentos. Plano XY
Fuente:(Elaboración Propia)
Plano XZ: Figura 60: Diagrama de fuerzas plano XZ
Fuente:(Elaboración Propia)
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230 + 230460 + 1 1560560 0 460 .. 0 +Ft10 137.7+233.51135.260 . Calculo de los elementos flexionantes:
0.23 31.67 .. 0.46 107.27. 110.175 98596.67. Figura 61: Diagrama de cortante y momentos. Plano YZ YZ
Fuente:(Elaboración Propia)
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Una vez analizado los dos diagramas se calculará el momento flexionantes máximo, que servirá para la determinación del diámetro del eje. Ecuación 29: Momento resultante máximo
+ 247.59 +107.27 .
B). Material seleccionado para el eje:
Se especifica una aleación de Acero AISI 4340 (acero bonificado al cromo-níquel-molibdeno apto para altas exigencias a la tracción, torsión y flexión) templado y revenido a 1200ºF puesto que es un material lo suficientemente resistente para soportar las cargas que actúan en el mismo y ser lo menos voluminoso posible (Ver anexo B). Sus propiedades son las siguientes:
Sy=855 MPa Sut= 965 Mpa Asumiendo un factor de seguridad (n s) de 2 recomendados por normas ASME. (Ver anexo C)
C). Cálculo del diámetro del eje por carga estática: Usando la Teoría De La Energía De La Distorsión (DET) también conocido como el criterio de Von Mises se predice el diámetro más pequeño donde la falla empezara a ocurrir.
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32ᴨ + 34
Ecuación 30: Diámetro según Criterio de Von Mises
322 269.83 + 34 17.58 ᴨ85510
.
Además se realizó el cálculo con la Teoría de Esfuerzo Cortante
Máximo (MSST) también conocida como criterio de fluencia de Tresca, la DET predice la fluencia bajo cargas combinadas con mayor exactitud que cualquier otra teoría reconocida (aunque la diferencia entre la DET y la MSST son pequeñas).
32 ᴨ + 322 ᴨ85510 269.83 +17.58 .
Ecuación 31: Diámetro según Criterio de fluencia de Tr esca
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D). Cálculo del diámetro del eje para la falla por fatiga: Para el cálculo del diámetro mínimo del eje se utiliza la ecuación del criterio de ED – Goodman del libro de Diseño en ingeniería Mecánica de Shigley
16ᴨ 2 + 3 { ( )}
Ecuación 32: Diámetro según criterio ED - Goodman
A partir de la tabla N° 6 se obtiene los factores de concentración del esfuerzo (Kt) Kt =1.7 Kts =1.5 Para dar un primer pase rápido y conservador, K f =Kt, Kfs=Kts Tabla 11: Factor de concentración de esfuerzos
Fuente:( Budynas & Keith Nisbett, 2008)
Para el Acero AISI 4340, con Sut = 140 kpsi para S e Ecuación 33: factor Ka
Los valores de a y b se encuentran en la tabla N°7
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Tabla 12: valores de factor y exponente
Fuente:( Budynas & Keith Nisbett, 2008)
2.7140−. . . 1 . ´ 0.7288 0.9 0.84 140 .
Para
Ecuación 34: Límite de resistencia a la fatiga
Los datos se convirtieron al sistema inglés para poder realizar el cálculo obteniendo de este modo el diámetro en pulgadas y realizar la comparación.
162 2 1. 7 928522. 1 24 3 1. 5 573381. 4 2 +
ᴨ
77136 140000 /
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E). Análisis mediante elementos finitos Se procedió primero al diseño del eje y posteriormente se simuló el modelo en Elementos Finitos utilizando el software Solidworks en la figura 55 se aprecia el eje sometido a fuerzas. Se tuvo en consideración que el material seleccionado en cálculo teórico es muy costoso por lo que se vio la necesidad de utilizar el acero AISI 1020 para que sea más rentable Figura 62: Ejes sometido a fuerzas en software FEA
Fuente:(Elaboración Propia)
En la tabla N° 8 se aprecia los resultados del análisis. Las deformaciones previstas son más que aceptables. Tabla 13: Resultado del análisis estático del eje principal
Resultados del Análisis Estático del Eje Principal Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
30884.5 N/m^2
3.75 x 107N/m^2
0.0 mm
0.35 mm
9.3
11332.5
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
Acero laminado en Frio AISI 1020 3.5 x 108 N/m^2 4.2 x 108 N/m^2
Fuente:(Elaboración Propia)
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El esfuerzo máximo que generan las fuerzas es menor que el límite elástico del material dando como resultado de 0.35 mm de desplazamiento y un factor de seguridad de 9.3 con estos valores el eje no fallara por resistencia mecánica Figura 63: Análisis estático tensiones en el eje
Fuente:(Elaboración Propia)
De la imagen se concluye que el esfuerzo de Von Misses para una
3.75 x10− ⁄ ⁄ 30884. 5 31 350 MPA
oscila entre elástico de fallara.
y
, para un límite
, con lo cual se concluye que el diseño del eje no
Figura 64: Análisis estático - Desplazamientos en el eje
Fuente:(Elaboración Propia)
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De la figura 64 podemos observar que el desplazamiento máximo es de 0.35 mm, al momento de realizar el análisis se le aumento la escala para poder ver el comportamiento de la deformación. Figura 65: Análisis estático – Factor de seguridad en el eje
Fuente:(Elaboración Propia)
El factor de seguridad que tiene el eje de la maquina es de 9.3 con este valor garantizamos que el eje no fallara. Figura 66: Enmallado del eje principal
Fuente:(Elaboración Propia)
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4.4.7. Diseño De Chaveta. El propósito de usar una cuña es transmitir el par de torsión completo además cumple la función de un sistema de seguridad. La mayoría de las maquinas tienen una velocidad de operación y un par de torsión que definen el tamaño requerido de la cuña. Sin embargo en el caso de un incremento drástico en las condiciones de carga, la cuña fallara por cortante antes de que falle el eje ola polea ver figura 60: Figura 67: Fuerzas en una chaveta
Fuente:(Budynas & Keith Nisbett, 2008)
Falla debida al corte de la cuña:
ñ <
Ecuación 35: Falla debida al corte
Donde SSy es el esfuerzo de fluencia en cortante y n s es el factor de seguridad Falla debida al esfuerzo de compresión:
ñ ≤ 0.90
Ecuación 36: Falla debido a la compresión
Para nuestro diseño tenemos una chaveta rectangular hecha de acero
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AISI 1020 (ver anexo D), tiene un ancho y una altura de 8 mm y 58mm de longitud.
ñ 2 ñ 0.0254217.0.050880.058 ñ . 0.4 0.4205
Remplazando los datos en la ecuación 31 con un factor de seguridad de 2
. <
Con el resultado de la condición se garantiza que la chaveta no fallara por corte. Se procede a garantizar la falla debido al esfuerzo por compresión.
ñ 4 ℎ 58 058 ñ 0.02540.4 17.0080. ñ . 0.9 .
Remplazando los datos en la ecuación 32 con un factor de seguridad de 2 cumple con la condición garantizando el diseño de la chaveta.
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. <. Luego de realizar el cálculo teórico Se procedió primero al diseño de la chaveta y posteriormente se simuló el modelo en Elementos Finitos utilizando el software Solidworks en la figura 68 se aprecia la chaveta sometida a fuerzas. Figuras 68: Chaveta sometido a fuerzas en software FEA
Fuente:( Elaboración Propia)
En la tabla N° 19 se aprecia los resultados del análisis. Las deformaciones previstas son más que aceptables. Tabla 14: Resultados del análisis estático de la chaveta Resultados del Analisis Estatico de la chaveta Nombre Tensiones1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: Tensión de von Mises
925.405 N/m^2
1.498 x 10 N/m^2
0 mm
0.000818 mm
313.7
507886
URES: Desplazamiento
Desplazamientos
resultante
Factor de seguridad1
Automático
6
Propiedades del Material Nombre:
AISI 1020
Límite elástico:
4.7 x 10 8 N/m^2
Límite de tracción:
7.45 x 109 N/m^2
Fuente:( Elaboración Propia)
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El esfuerzo máximo generado en la carga es mucho menor que el límite elástico del material generando un desplazamiento Mucho menor a 1 mm con un factor de seguridad de 31.3 Figura 69: Análisis estático – tensiones en la chaveta
Fuente:( Elaboración Propia) Figura 70: análisis estático – desplazamientos en la chaveta
Fuente:( Elaboración Propia)
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Figura 71: Análisis estático - Factor de seguridad en la chaveta
Fuente:( Elaboración Propia)
El factor de seguridad de la chaveta es de 31 lo cual nos indica que la chaveta no fallara por resistencia mecánica.
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4.4.8. Selección de Rodamientos La utilización de los cojinetes de rodamiento es muy importante para reducir la fricción del eje que está rotando; en este caso la fricción de deslizamiento se sustituye por fricción de rodamiento. Como las áreas de contacto son pequeñas y los esfuerzos altos, las partes de los rodamientos sobre las que actúa normalmente fuerzas se hacen de materiales duros de alta residencia, superiores a los materiales del eje y del elemento exterior Los rodamientos que se seccionaran para el eje principal son rígido de bolas. Se realizó el cálculo para la selección del rodamiento en el punto A: Ray = 364.478 N Raz = 39.45 N Por lo tanto la resultante total será Ecuación 37: Carga resultante en rodamientos
Y para el punto B
+ 364.478 +39.45 .
Rby = 538.20 N Rbz = 233.51 N
538.20 +233.51 .
Seleccionaremos el rodamiento de acuerdo a la carga del punto B porque es donde se encuentra el mayor valor.
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Según la tabla de rodamientos rígidos de bolas con un diámetro de 25 mm se obtuvo del catálogo de rodamientos FAG los valores de los índices de carga básica Cr = 10000 N Cor = 5850 N Figura 72: Capacidad de carga de rodamiento rígido de bolas.
Fuente:( Catalogo FAG)
Y a la vez para una velocidad de 200 rpm y una vida útil de 100 000 tenemos los siguiente valores (ver figura 73 y 74) f n = 0.55 f l = 5.85
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Figura 73: Factor de velocidad.
Fuente:( Catalogo FAG)
Figura 74: Factor de esfuerzos dinámicos.
Fuente:( Catalogo FAG)
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Realizaremos el análisis dinámico Ecuación 38: Carga dinámica
Donde P = RTb Para
≤ ;0
Remplazando los valores en la ecuación 35 tenemos
∗ 6240. 0 35 ≤ . ≤
Ecuación 39: Capacidad de carga dinámica requerida.
Como podemos observar se cumple con la condición necesaria Para el análisis estático
∗
Ecuación 40: Capacidad de carga estática requerida
El valor de fs: 1,2 – 2.5 para condiciones elevadas para ello tomamos, un valor de 1.5.
∗+∗
Ecuación 41: Carga estática equivalente
Xo = 1 factor radial Fa = 0 Remplazando los valores en la ecuación 36
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1.880.5∗586.00567 .≤ ≤ Al comprobar que con los valores del rodamiento seleccionado anteriormente cumple con las condiciones planteadas, se define el rodamiento SERIE FAG 6005 (se realizó el cálculo con la ecuaciones del proveedor FAG, siendo menos tediosas de las demás marcas de rodamientos pero con esa serie podemos seleccionar el rodamiento en SKF si fuera el caso) Figura 75: Rodamiento FAG
Denominación.
-
Rodamiento FAG 6005
Ø exterior
Ø interior
Longitud
Capacidad de
Peso
(mm)
(mm)
(mm)
carga (N)
(kg)
47
25
12
0.08
5850
Fuente:( Catalogo FAG)
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4.4.9. Cálculo del pasador del sistema de la bandeja. Conocidas las fuerzas se procede a realizar el cálculo de eslabones y pasadores. Figura 76: Eslabón del alimentador vibratorio
Fuente:( Elaboración Propia)
En la figura 76 de aprecia en el lado izquierdo donde se encuentra ubicado el pasador y en el lado derecho se aprecia que la carga que soportara será la del alimentador vibratorio a continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre en el eslabón. Figura 77: DLC del eslabón
Fuente:( Elaboración Propia)
Donde: Fav es la fuerza que ejerce el alimentador vibratorio que anteriormente
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se calculó. Remplazando datos y observando la deposición de los apoyos tenemos los siguientes valores.
Con las fuerzas obtenidas en las barras se procede a realizar el cálculo del factor de seguridad de los pasadores
Pasador. Figura 78: Fuerzas aplicadas en el pasador
Fuente:( Elaboración Propia)
Para el cálculo del área se tiene: Ecuación 42: Carga estática equivalente
4 Teniendo como diámetro 12.7 mm, remplazando en la ecuación el área es:
1.131 10−
Podemos expresar el factor de seguridad con la siguiente ecuación
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Ecuación 43: Carga estática equivalente
Donde
70.2 95.20596 2.92
Ecuación 44: Carga estática equivalente
Elegimos un acero AISI 1020 ver anexo I:
De este modo se garantiza que el pasador no fallara por esfuerzo cortante. Se realizó el análisis con software Fea el cual se aprecia en las figura 71,72 y 73. Figura 79: Análisis estático – tensiones en el pasador
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Fuente:( Elaboración Propia) Figura 80: Análisis estático – Desplazamientos en el pasador
Fuente:( Elaboración Propia)
Figura 81: Análisis estático – Factor de seguridad del pasador
Fuente:( Elaboración Propia)
Los resultados se aprecian en la tabla N° 15.
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Tabla 15: Resultados del análisis estático del pasador.
Resultados del Análisis Estático del pasador Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
28026.5 N/m^2
7.225 x 107N/m^2
0.0 mm
0.00148 mm
4.8
1000.5
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
Acero laminado en Frio AISI 1020 3.5 x 108 N/m^2 4.2 x 108 N/m^2
Fuente:( Elaboración Propia)
Como podemos ver las tensiones son menores al límite elástico, el factor de seguridad menor es de 4.8 y el desplazamiento máximo es mucho menor que 1 mm. Por lo que podemos indicar que el pasador no fallará por resistencia mecánica debido a que tiene un factor de seguridad mayor a 1; además el desplazamiento máximo de 0.00148 no afectará a nuestro elemento de máquina.
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4.5. Diseño de la estructura base. Mediante el análisis de elementos finitos se realizó el cálculo del factor de seguridad de la estructura base de la maquina limpiadora de trigo, este factor nos determinó que el diseño funciona correctamente cuando esté sometido a las cargas de los componentes mecánicos y del producto a limpiar. Figura 82: Estructura base
Fuente:( Elaboración Propia)
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Para el modelamiento de la base se utilizó perfil estructural cuadrada de 30 x 30 x 1.5 mm. En la figura 83 podemos observas las zonas que están soldadas Figura 83: Juntas soldadas
Fuente:( Elaboración Propia)
A continuación se mostrara las cargas que se presentan en la estructura base de la maquina limpiadora de trigo
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Figura 84: Estructura base
Fuente:( Elaboración Propia)
En la figura 76 se aprecia las cargas que ejercen sobre la estructura, estas cargas se obtuvieron con el software SOLIWORKS. Como se puede apreciar en la tabla 16.
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Tabla 16: Cargas que soporta la estructura base.
Nombre de carga
Ubicación de la carga
Detalles de la carga Entidades:
Fuerza-1 (Motor)
Referencia: Tipo: Valores:
Entidades:
Fuerza-2
Referencia: Tipo: Valores:
1 plano(s), 2 Viga(s) Planta Fuerza ---, ---, -196 N
1 plano(s), 2 Viga(s) Planta Fuerza ---, ---, -1500 N
(Alim. Vibratorio)
Entidades:
Fuerza-3 (Tolva)
Referencia: Tipo: Valores:
Entidades:
Fuerza-4 (Sist. Eje ventilador)
Referencia: Tipo: Valores:
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1 plano(s), 2 Viga(s) Planta Fuerza ---, ---, -588 N
1 plano(s), 2 Viga(s) Alzado Fuerza ---, ---, 490 N
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Nombre de carga
Ubicación de la carga
Detalles de la carga Entidades:
Fuerza-5
Referencia: Tipo: Valores:
1 plano(s), 2 Viga(s) Alzado Fuerza ---, ---, -784 N
(sist. ventilador)
En la figura 77 se aprecia el enmallado y la deformación de la estructura con una escala elevada para poder observar su comportamiento. Figura 85: Estructura base
Fuente:( Elaboración Propia)
En la figura 78, 79 y 80 se aprecian los resultados del análisis de la
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estructura, se aprecia la tensión axial y flexión en el límite, el desplazamiento de 1.77 mm y el factor de seguridad de 3.4. Tabla 17: Resultados del análisis dela estructura base.
Resultados del Análisis Estático del pasador Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
60905.5 N/m^2
5.922 x 107N/m^2
0.0 mm
1.77 mm
3.4
249
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
Acero laminado en Frio AISI 1020 2.03 x 108 N/m^2 3.56 x 108 N/m^2
Fuente:( Elaboración Propia)
Figura 86: Tensión axial y de flexión en la base
Fuente:( Elaboración Propia)
Como podemos observar en la imagen 86 el análisis ubica las zonas donde se encuentra la mayor tensión axial y de flexión esto nos
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ayuda a mejorar el diseño colocándole cartelas (ver figura 87). Para disminuir el esfuerzo pero para el presente proyecto no se tomó en consideración agregarles. Figura 87: Cartela
Figura 88: Estructura base Figura 89: Cartela
Fuente:( Elaboración Propia)
El desplazamiento máximo es de 1.77 mm y se encuentra justo por el lado donde estará colocada la tolva.
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Figura 90: Estructura base
Fuente:( Elaboración Propia)
Para garantizar que el diseño de la estructura base soporte las cargas a la que está sometida se realizó el análisis para determinar el factor de seguridad de la base; este nos dio como resultado el valor de 3.4 lo que hace que el diseño sea óptimo y adecuado para la máquina.
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4.6. Diseño del sistema de limpieza. El sistema de limpieza está formado por dos partes fundamentales; el ventilador y el ducto de conducción. Hay muy poca información sobre el diseño óptimo de un tipo de ventilador adecuado para la limpieza de trigo, sin embargo podemos hacer referencia algunas consideraciones que se tendrán en cuenta: “ El diseño del ducto y del
ventilador no está necesariamente orientada a ser el más eficiente, es decir a la configuración que menor cantidad de perdidas ofrezca. Pues es de mayor interés que la maquina sea lo más compacta posible para que pueda ser transportada fácilmente, además de mantener un costo de fabricación bastante bajo; sin embargo por tener una cantidad de mezcla pequeña a trabajar, el caudal que transite por el ducto y la velocidad de flujo son pequeños en comparación con valores usuales en la industria”. (Malpartida, 2007, p.47).
Además “en este trabajo únicamente se dan pautas generales para el diseño de un sistema de ventilación optimo, quedando como una recomendación para futuros trabajos completar su diseño e implementarlo.”(Vidal, 2009, p.49).
Comprendido lo antes mencionado en el presente trabajo se tomaran los datos obtenidos (caudal, velocidad, área de cortina de aire, inclinación, rpm.) de las investigaciones mencionadas para poder realizar un cálculo más extenso y detallado que genere un diseño óptimo para este tipo de actividad como es la limpieza del trigo. Tabla 18: Parámetros iniciales del ventilador.
Datos para iniciar cálculo del ventilador V(m/s)
Po(Kpa)
rpm
T°
Haire (mdca)
7
101 Kpa
300 RPM
20°
12.2 m
Fuente:( Elaboración Propia)
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4.6.1. Diseño del ventilador. En la siguiente figura 91 se parecía en detalle el diseño del ventilador todos sus componentes como: rodete, carcaza y eje. Todos estos se calcularon teniendo en cuenta los fundamentos de turbo maquinas. Figura 91: Sistema de ventilación de la maquina limpiadora
Fuente:( Elaboración Propia)
Para iniciar el cálculo necesitamos conocer la densidad del aire correspondiente a los datos
ρ TPR
Ecuación 45: Densidad del aire
Siendo:
ρdensidad del aire kg PT Presi ó n absol u t a KPa Temperatura absoluta°K KJ RConstante de gases aire0.287 kg×°K Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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101 287 ρ TPR 20+273×0. ρ1.20108 mkg Los ventiladores centrífugos tienen una eficiencia de 60 % - 75%, Para nuestro caso asumiremos un valor del 70 % Con la siguiente ecuación se calcula la potencia en el eje de una maquina hidráulica:
P ρ ×g×Q×H 1000×ƞ P Potencia al eje kw kg ρ Densidad del aire m Q Caudal Hƞef Altura equivalente en metros de aire mdca iciencia total del ventilador70% Ecuación 46: Potencia al eje
Como podemos apreciar en la ecuación 44 necesitamos encontrar el valor del caudal, para ello se hará uso de la siguiente ecuación.
.
Ecuación 47: Caudal en la ventana de salida
Q Caudal AVvsvel Area en la ventana de salida ocidad en la ventana de salida/ La cortina de aire es de 425mm x 100mm, entonces el área de la
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ventana de salida es
425 . 100 0.0425
Ecuación 48: Área en la ventana de salida
Esa área
se encuentra ubicada a la salida del ducto de aire por a
partir de ahí estará en contacto directo con la mezcla de tr igo y broza, tal como se muestra en la figura 92. Figura 92: ubicación del área
Fuente:( Elaboración Propia)
Remplazando en la ecuación del caudal tenemos:
0.04257 0.3
Este es el caudal que se necesita para separar la broza del trigo, pero necesitamos encontrar el caudal inicial del ventilador , “asumiendo una pérdida de 30%” en la velocidad de la ventana de salida entonces tenemos:
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30% 9.1
Ecuación 49: Velocidad en la ventana de entrada
Las dimensiones de la ventana de entrada son de 200mm x 200 mm, la ubicación se muestra en la figura 93 se le dio el nombre de ventana de entrada por que a partir de ahí ingresara al ducto que conecta con la ventana de salida hay que tener en claro que para diseñar el ventilador se necesita conocer el caudal justo en esa área. Figura 93: ubicación del área
Fuente:( Elaboración Propia)
0.2 0.04
Ecuación 50: Área de la ventana de entrada
Con este valor ya se puede calcular el caudal en la ventana de entrada.
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0.04 9.1 0.364
Ecuación 51: Caudal en la ventana de entrada
Con los datos de caudal y velocidad en la ventana de entrada encontramos las pérdidas de columna de aire para tener un cálculo mucho más exacto, para ello hacemos uso del diagrama de pérdidas. Figura 94: Diagrama de perdidas
Fuente:( Elaboración Propia)
Las pérdidas son de 0.4 mmcda
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Entonces:
HH 12.12.20042+0.mdcai 0004re 81×0.x30.64×12. 2 004 P 1.0201×9.1000 7 P0.075 ≈0.1ℎ
La potencia será
Para el cálculo de los diámetros, espesores, numero de alabes del rodete. Se realiza un cálculo muy extenso lo cual es necesario para diseñar un ventilador óptimo para este tipo de máquina. Empezaremos con el número específico de revoluciones coeficiente de presión
y
Ecuación 52: Número específico de revoluciones
N NH Q
Se define numero especifico a la velocidad de giro expresada en revoluciones por minuto a que tendría que girar una maquina bajo el salto neto de un metro diera la potencia de un caballo.
NNRPM Numero Especifico de revoluciones Q Caudalen la ventana de entrada H Altura equivalente en metros de aire mdca 0.364 √ N HN Q 300× 12.2004 N 27.72 ≈28 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Para encontrar la cifra depresión nos vamos a la tabla de valores específicos que cumple con un ventilador centrífugo.
Tabla 19: Cifra de presión.
20 1.1
25 30 35 40 45 1.08 1.05 1.01 0.97 0.93
50 0.90
Fuente:( Elaboración Propia)
Se necesita interpolar para encontrar el dato exacto
3025 1. 0 51. 0 8 2825Ψ1.φ1. 0 8 062
Con este dato podemos obtener la velocidad de salida del rotor. Figura 95: Ubicación de las velocidades en el rodete
Fuente:( Elaboración Propia) Ecuación 53: Velocidad de salida del rotor
U 2 ×g×HΨ 2 004 U 2×9.81×12. 1.062 U 15.013
Con la ecuación de velocidad de salida del rotor podemos encontrar el diámetro exterior.
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D 60×U π×N 0 13 D 60×15. π×300 D 0.956 m≈95.6 cm
Ecuación 54: Diámetro Exterior del rotor
Como podemos apreciar el diámetro es muy excesivo, este diámetro resulto de trabajar con una velocidad de 300 rpm. En la gráfica se muestra la relación que existe entre el diámetro y las rpm; mientras las revoluciones aumentan el diámetro decrece. Figura 96: Grafica DIÁMETRO-RPM
DIAMETRO - RPM 1.200 e t e d o r l e d o r t e m a i D
1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000
300
350
400
450
500
550
600
650
700
diametro 0.963 0.836 0.746 0.674 0.616 0.569 0.531 0.499 0.472
Fuente:( Elaboración Propia)
Nuestra maquina tiene una área limitada donde estará instalado el ventilador y construir un ventilador con diámetro de 95.6 cm no es recomendable entonces, se consideró que trabajando con 550 RPM tendríamos un diámetro de 56.9 cm. Lo que lo hace mucho más factible al momento de instalar el ventilador. Para el cálculo del diámetro interior, Se tiene que asumir los valores de los angulos de los alabes; teniendo en consideración lo siguiente.
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β 25°35° 90° β 40°70°
Ecuación 55: Ángulo de los alabes
Figura 97: Ubicación de las velocidades en el rodete
Fuente:( Potter 1988, p.770)
Entonces sumiremos que
β 30° β 60°
Con la ecuación siguiente que se obtiene de la relación de rotores:
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Ecuación 56: Relación de diámetros
DD ≥1.063× tanφ
Donde el coeficiente de caudal será
φ π4 ×DQ ×U 364 4 φ π4 ×0.0.569×16.
Ecuación 57: Coeficiente de caudal
La velocidad del rotor U 2, se volvió a calcular con el mismo procedimiento pero con 550 rpm dando como resultado 16.4 m/s
φ0.04966 D0.569 ≥1.063× 0t.0an4966 D 0.1773m ≈17.7cm
Entonces remplazando en la ecuación se tiene
Con la ecuación se podrá calcular el número de alabes.
β +β zk× 1+ν ×si n 1ν 2 ν DD 0.0.1577369 0.31159 Ecuación 58: Número de alabes
Siendo:
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6.8 toma el valor de K (El coeficiente K tiene un valor medio aproximado de 6.8 y suele oscilar entre 3 y 10 o valores más elevados.)
3 1159 30+60 z6. 8 × 1+0. ×si n 10.31159 2 z9.16 ≈10 alabes
El rodete tendrá 10 alabes entonces se procederá a calcular el nuevo diámetro interior.
D 1+ 0. 5 69 106. 8 × 1 0.D569 ×sin30°+60° 2 D 0.199m≈19.9 cm Para el cálculo de los espesores periféricos tenemos: Figura 98: Espesores periféricos.
Fuente:( Elaboración Propia)
Hay que tener en cuenta
e 161 in1.5875mm
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s sineβ s 1.si5n87560 s 1.833
Ecuación 59: Espesor periférico de la salida
Del mismo modo
s sine30 s 1.si5n87530 s 3.175
Ecuación 60: Espesor periférico de la entrada.
Para el cálculo del paso de la entrada y salida tenemos la siguiente ecuación: Ecuación 61: Paso de la entrada.
t π×Dz t π×199 10 t 62.51mm t π×Dz t π×569 10 t 178.75mm
Ecuación 62: Paso de la salida.
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Con los datos obtenidos se procede a realizar el trazado del triángulo de velocidades. Figura 99: Trazado de triangulo de velocidades.
Fuente:( Elaboración Propia)
Para el cálculo de las velocidades tangenciales tanto en la entrada como en la salida las hallamos con la siguiente ecuación:
U π×D60 ×N U π×0.16099×550 U 5.73 ms U π×D60 ×N
Ecuación 63: Velocidad tangencial a la entrada.
Entonces la velocidad de entrada es
Y para la velocidad de salida tenemos:
Ecuación 64: Velocidad tangencial a la salida.
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U π×0.56069×550 U 16.38 ms
Para el cálculo de la velocidad meridiana tenemos lo siguiente:
Figura 100: Triangulo de velocidades.
Fuente:( Elaboración Propia)
Teniendo en cuenta:
Ecuación 65: Relación de velocidad meridiana.
Además se sabe que los angulos Del primer triangulo
β 30° β 60° y
Figura 101: Triangulo de velocidad a la entrada.
Fuente:( Elaboración Propia)
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c=U ×tan30° c=5.73×tan30° c=3.308 ms
Ecuación 66: Velocidad meridiana de la entrada.
La velocidad relativa será Ecuación 67: Velocidad Relativa de la entrada.
Del segundo triangulo
w C +U w 3.308 +5.73 w 6.616 ms
Figura 102: Triangulo de velocidades a la salida.
Fuente:( Elaboración Propia)
C C 3.308 ms w siCn60° si3.n360°08
Ecuación 68: Velocidad relativa de la salida.
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Entonces
Entonces
Entonces el ángulo
w 3.819 ms C U tanβC C 16.38 t3.a0n6038 C 14.62 ms C C +C C 14.62 +3.308 C 14.98 ms α cosα CC 14.14.6928 α cos−14.14.6928 α 12.58° Ecuación 69: Angulo
.
Para el cálculo del ancho del alabe tenemos:
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Figura 103: Pasos de entrada en el rodete.
Fuente:( Elaboración Propia)
Qπ×D z×S ×b ×C ×η b π× z ×Q × ×η Ecuación 70: ancho del alabe.
Despejando bi:
Remplazando datos para el ancho de alabe 1, y para la eficiencia del alabe se tendrá un 96 % tenemos Ecuación 71: Ancho del alabe en la entrada.
364 − ×3.308×0.96 b π×0.19910 ×3.10.75×10 b 0.18m≈18 cm 364 − ×3.308×0.96 b π×0.56910 ×1.80.33×10 b 0.0647≈6.47 Ecuación 72: Ancho del alabe en la salida
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La transferencia de energía que hay se puede expresar en la siguiente ecuación
H U ×Cg 6 2 H 16.38×14. 9. 9 1 H 24.16
Ecuación 73: Transferencia de energía.
Para el cálculo del coeficiente de resbalamiento
μ 1+ε1 2×k ε0. 4 +1. 2 ×ν× z×1ν DD ≤0.5 0.0.159969 ≤0.5 0. 3 49≤0. 5 k0.55+0.6sinβ k0.55+0.6sin60 k1.0696 2×1.0696349 ε0.4+1.2×0.ε0. 349×199410×10. μ 1+ε11 μ 1+0.1994 Ecuación 74: Coeficiente de resbalamiento
Entonces
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μ0.833 μ HH∞ H μ×H∞ H 0.833×24.16 H 20.12 m
Para el cálculo de la altura que genera el rotor se tiene
Ecuación 75: Altura que genera el rotor
Con este dato del cálculo de la altura del rotor se puede calcular la altura útil del ventilador.
ηh HH ηh η η×η
Ecuación 76: Eficiencia Hidráulica
Donde
Considerando los siguientes valores de eficiencia del sistema, ventilador y del motor:
η0. 7 0 ηη 0.0.9967 0.0.9950. 9 8 60. 9 8 ηh 0.970.x700.96 ηh 0.8054
Entonces despejando y remplazando la ecuación en la altura útil
Hηh ×H
Ecuación 77: Altura útil del ventilador
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H0.H15. 8054×20. 1 2 12 m
Con la altura útil del ventilador se calcula el salto energético con la siguiente ecuación:
Yg×H Y9.81×15. 12 Y148.33
Ecuación 78: Salto energético.
Con este resultado llegamos a la conclusión que en un primer cálculo los datos de la altura del ventilador era H=12.2 m calculado de forma empírica sin tener consideraciones sobre diseño, en esta presente investigación se estudió más a detalle el diseño de este ventilador teniendo una altura útil de 15.12 m con menos dimensión en los diámetros del rodete y a una velocidad de 550 RPM haciendo te esta manera al ventilador más compacto económico y óptimo. Además el salto energético nos indica que al pasar el f luido por el ventilador este incrementara su energía en 148.33 J por cada kilogramo de fluido
4.6.2. Diseño de los alabes del ventilador. El método para el trazado de los alabes es el método de los puntos. Este método considera que
""
paria entre los valores limites
y
en función del radio (en ventiladores se considera una variación
lineal). Este es un proceso se realiza por medio de la integración. Esta integración resulta mejor realizarla por cálculo, Se determina cada ángulo central y a cada valor de
Figura 104: Variación del ángulo con respecto al radio
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Fuente:( Elaboración Propia)
̂ ̅ ∆′⊥ 90 ̅ ̅ ′ ̅ Sea
En él
a partir del radio fijo
, cuyo lado
cuyo ángulo en es
̅ ∢
es el arco correspondiente al
, se tiene:
,
Por otro lado:
Donde
De donde:
→ ∫
Integrando entre y :
(En radianes)
En grados sexagesimales
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Ecuación 79: Angulo para trazado de alabes.
180 ∫ φ fr ββ 30° 60° 2 0.0995 2 0.2845 "" "" + 6030+0. 2 8450. 0 995 162.16
Se obtiene las coordenadas del alabe: en Datos calculados anteriormente:
Para ventiladores se prefiere variación lineal de Ecuación 80: Angulo
con
.
Tabulando valores hallados con las ecuaciones anteriores: Tabla 20: Relación radio ángulo para diseñar alabe.
∆ ∆ +− ∑∆
0.0995 0.118 0.1365 0.155 0.1735 0.192 0.2105 0.229 0.2475 0.266 0.2845
30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60
0.5774 0.6494 0.7265 0.8098 0.9004 1.0000 1.1106 1.2349 1.3764 1.5399 1.7321
17.4075 13.0497 10.0834 7.9671 6.4012 5.2083 4.2775 3.5362 2.9355 2.4414 2.0294
0.0000 0.2817 0.2140 0.1670 0.1329 0.1074 0.0877 0.0723 0.0599 0.0497 0.0414
0.0000 0.2817 0.4957 0.6627 0.7956 0.9030 0.9907 1.0630 1.1229 1.1726 1.2139
0.00 16.14 28.40 37.97 45.58 51.74 56.76 60.90 64.33 67.18 69.55
Fuente:( Elaboración Propia)
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Con estos datos obtenidos de radio y Angulo como se muestra en la tabla anterior se procedió a realizar el trazado de los alabes como se muestra en la figura Figura 105: Trazado de alabes.
Fuente:( Elaboración Propia)
4.6.3. Diseño de la voluta o carcaza. Para el diseño de la carcasa hay que tener algunas consideraciones tales como: La voluta es la encargada de conducir al fluido desde la entrada del ventilador hasta el rodete, transformar la energía cinética del fluido a energía de presión, y además, conducir el fluido hasta la salida del ventilador. Cabe mencionar aquí, que en la voluta no se adiciona energía al fluido, sólo se transforma. Para el cálculo del radio tenemos la siguiente ecuación. Ecuación 81: Radio de la carcasa.
Para
β 60°
optamos por:
log k φ β <90° :
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R 1.7 x 2 R 1.7 x 5692 R483.65 1. 7 k 3601 logRr 3601 log1.7 k 6.040135×10− "r" rr ×10 × r ×10 D 0.569 m≈569 mm r284.5 mm×10.× mm "r" Ecuación 82: Radio máximo.
Entonces:
De la ecuación 78 despejamos
:
,
Tabulación de
, para diferentes ángulos:
Figura 106: Trazado de voluta.
0 45 90 135 180 225 270 315 360
284.5 304.01 324.85 347.136 370.94 396.38 423.56 452.61 483.65 Fuente:( Elaboración Propia)
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4.6.4. Calculo del Angulo de inicio del difusor. Ecuación 83: Radio de inicio del difusor.
+0.01 284.5+0.01569 290.19 ×10 × l o g 290. 1 9 l o g 284.5 − 6.040135×10 14.238°
De la ecuación anterior
Con los datos obtenidos ya podemos realizar el cálculo de las últimas distancias de la carcasa.
1.151.4 1.2 cos 483.65290.19cos14.238° 202.37 1. 2
Para la espiral se recomienda:
De la relación asumiremos:
Ecuación 84: Distancia “A” de la carcasa.
Como asumimos
, se obtiene:
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168.6 Figura 107: Dimensiones A y B.
Fuente:( Elaboración Propia)
4.6.5. Calculo de presiones. Presión total Presión teórica o de Euler desarrollada por el rotor (∆Pu)
∆ 14. 9 8 12. 5 8 ⁄ 14. 6 2 3. 3 08cos90 0 ⁄ ∆1.2010816.35 14.62 Ecuación 85: Presión teórica.
Donde:
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∆287.102 ∆∆ ∆287. 1 0. 8 ∆229.68 ∆∆ ∆ ∆287. 1 02 229. 6 8 ∆57.422 ΔPest U₂²U₁² W₁²W₂²2ρ ΔPest 16.38²5.73² 6.616²3.819²1.2201 ΔPest 123.88 KPa
Presión total desarrollada por el ventilador.
Ecuación 86: Presión total del ventilador.
Perdidas de presión en el ventilador
Ecuación 87: Perdidas de presión.
Presión estática en el ventilador
Ecuación 88: Presión estática.
Grado de reacción
R ∆P∆Puest R 123.229.8688 R0.54
Ecuación 89: Grado de reaccion.
El grado de reacción nos indica que el 54 %de presión estática y el 46 % de presión dinámica.
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Presión dinámica en el ventilador
ΔPdi n 46% ∆Pu ΔPdiΔPdinn46% 287. 1 02 132.0669 KPa PvrQ ∆Pu Pvr0.Pvr104. 364 x 287.5 W102
Ecuación 90: Presión dinámica.
Potencia Del Ventilador
Ecuación 91: Potencia del ventilador.
Al inicio del cálculo del ventilador se calculó la potencia en el eje del ventilador y teníamos un valor de 75 W ahora en este cálculo asumiendo perdidas y con las medidas reales del ventilador a diseñar la potencia es de 104.5 W.
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4.6.6. Selección de material. Para la fabricación del ventilador usaremos planchas de acero ASTM A36 de 2 mm de espesor, ya que su obtención es muy fácil en el mercado, tiene una excelente soldabilidad y es recomendado para piezas donde la tenacidad tenga cierto grado, además es bueno para resistir la fatiga; como se muestra en la siguiente tabla: Tabla 21: Propiedades del acero ASTM A36. PROPIEDADES RESISTENCIA A LA TRACCION RESISTENCIA A LA FLUENCIA
ACERO ASTM A36
(Kg/cm²) 2550
(Kg/cm²) 4080 - 5610
DUREZA
HB 120 - 135
A). Análisis mediante elementos finitos de la carcasa del ventilador. Mediante el análisis de elementos finitos se realizó el cálculo del factor de seguridad de la carcasa o voluta del ventilador de la maquina limpiadora de trigo, este factor nos determinó que el diseño funciona correctamente cuando esté sometido a las presiones que se generaran en el ventilador. Figura 108: Chaveta sometido a fuerzas en software FEA.
Fuente:( Elaboración Propia)
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En la figura 108 se muestra las fuerzas que ejercen hacia fuera de la voluta producto de las presiones generadas por el rodete. Las flechas de color verde indican la parte donde está sujeta y la de color rojo indica la presión generada del ventilador. Figura 109: Voluta sometida a fuerzas en software FEA.
Fuente:( Elaboración Propia)
En esta imagen se concluye que los esfuerzos generados están entre
261.1 / 1. 8 118 / 250 MPA un rango de
-
para un límite elástico de
, con lo cual se concluye que el diseño del eje no fallara.
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Figura 110: Análisis de desplazamiento de la voluta en software FEA.
Fuente:( Elaboración Propia)
De la figura 110 se concluye que el desplazamiento provocado por las presiones generadas en el interior de la voluta serán de 0.0015 mm Figura 111: Factor de seguridad de la voluta en software FEA.
Fuente:( Elaboración Propia)
El factor de seguridad de la voluta es de 85.5 como mínimo lo cual nos indica que no fallara.
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En la siguiente tabla se resumen los datos obtenidos del análisis con el sowfare FEA. Tabla 22: Relación radio ángulo para diseñar alabe.
Resultados del Análisis Estático de la voluta Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
8.8555 N/m^2
2.61 x 107N/m^2
0.0 mm
0.0015 mm
88.5
1.3 x 108
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
ASTM A37 Acero 2.5 x 108 N/m^2 4 x 108 N/m^2
Fuente:( Elaboración Propia)
El esfuerzo máximo generado en la carga es mucho menor que el límite elástico del material generando un desplazamiento Mucho menor a 1 mm con un factor de seguridad de 88.5.
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4.6.7. Sistema mecánico del ventilador. En esta sección se realizara el cálculo del diámetro del eje así como también de la selección de los rodamientos que formaran parte de este sistema de transmisión mecánica de movimiento. Figura 112: Sistema mecánico del ventilador.
Fuente:( Elaboración Propia) Figura 113: Eje del sistema de ventilación.
Fuente:( Elaboración Propia)
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A). Calculo del diámetro del eje. Para el cálculo del diseño del eje se tendrá en cuenta el análisis por carga estática para luego realizar un análisis de elementos finitos y encontrar el valor del factor de seguridad y de esta manera de esta manera garantizar que el eje no fallara por resistencia mecánica. A continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre del eje del ventilador. Figura 114: DCL del eje del ventilador.
Fuente:( Elaboración Propia)
Como se parecía en la imagen podemos observar las cargas que se presentan en el eje (Wv) (FPz y FPy) y las reacciones en los puntos A y B debido a los rodamientos. Antes de comenzar analizar las fuerzas en cada plano realizaremos el cálculo necesario para encontrar las fuerzas en la polea (FP) el torque y el peso del rodete del ventilador (Wv).
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Para encontrar la masa del rodete se tuvo en cuenta las opciones que tiene el software SOLIWORKS de calcular las propiedades físicas de la pieza. Figura 115: Propiedades físicas del Rotor.
Fuente:( Elaboración Propia)
De la masa del podemos encontrar el peso del rotor y que será:
9.88.071999.81
Para encontrar las fuerzas en la polea FPz y FPy comenzaremos con analizar la polea. Figura 116: DCL de la polea.
Fuente:( Elaboración Propia)
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En la figura anterior podemos ver que el ángulo de contacto de la faja con la polea está representada con la siguiente ecuación:
180°+2 − 2 0 8 180°+2 − 0.22520. 0.2846 216° 180° 2 216180° 2 18° Ecuación 92: Distancia “A” de la carcasa.
Además:
Ecuación 93: Distancia “A” de la carcasa.
Para encontrar el torque se utilizara la potencia generada en el ventilador rodete:
T Pvr104.5 W T 2 104. 605505 T1.81 Nm
Ecuación 94: Torque en el eje del ventilador.
Donde Pvr es la potencia encontrada en el eje de rodete esta potencia ya estaba calculada anteriormente.
Entonces remplazando en la ecuación 91 se tiene:
Este mismo torque es trasmitido a la polea
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Para calcular la fuerza tangencial neta de la correa se tiene la siguiente ecuación.
2 21.0.25281 14.36 +cos Ecuación 95: Fuerza tangencial neta
Además se sabe que:
Pero la fuerza de la polea sobre sobre el eje es: Ecuación 96: Fuerza en la polea.
Donde es un factor que para correas trapezoidales tiene un valor de 3, por lo tanto:
3 14.36 43.08 cos66°17. 5 2 66°39.36
Esta es la fuerza que la polea trasmite al eje y las componentes de la fuerza de la polea son:
Conocidas las fuerzas se procede a realizar el análisis de fuerzas en el plano XY. Ver figura 117
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Figura 117: Análisis de fuerzas Plano XY
Fuente:(Elaboración Propia)
Ecuación 97: Ecuación de equilibrio de Momentos.
0 69.5170.5+FPy207.50 5 mm 69.5+FPy207. 170.5 . N 0 Wv++0 Wv+ . Ecuación 98: Ecuación de equilibrio Fuerzas.
Cálculo de los momentos flexionantes: Ecuación 99: Momentos flexionantes.
d 0.0695 9.29. 0.170514.351 . Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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Una vez que se ha calculado las reacciones en los apoyos del eje se procederá a dibujar los diagramas cortante y de momento respectivamente. Ver figura 118.
Figura 118: Diagrama de cortante y momentos. Plano XY
Fuente:(Elaboración Propia)
Plano XZ: Figura 119: Diagrama de fuerzas plano XZ
Fuente:(Elaboración Propia)
0 101+1380 101138 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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. 0 +FPz0 23.93+17.520 . Calculo de los elementos flexionantes:
0.101 2.41 . Figura 120: Diagrama de cortante y momentos. Plano YZ
Fuente:(Elaboración Propia)
Una vez analizado los dos diagramas se calculará el momento flexionantes máximo, que servirá para la determinación del diámetro del eje. Ecuación 100: Momento resultante máximo
+ 23.93 +6.41 Escuela Académica Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica
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.
B). Material seleccionado para el eje:
Se especifica una aleación de Acero AISI 1020 adecuado para elementos de máquinas. Sus propiedades son las siguientes:
Sy=205 MPa Sut= 380 Mpa Asumiendo un factor de seguridad (n s) de 3 recomendados por normas ASME. (Ver anexo C)
C). Cálculo del diámetro del eje por carga estática: Usando la Teoría De La Energía De La Distorsión (DET) también conocido como el criterio de Von Mises se predice el diámetro más pequeño donde la falla empezara a ocurrir.
Ecuación 101: Diámetro según Criterio de Von Mises
32ᴨ + 34 323 24.97 + 34 1.81 ᴨ20510 .
Además se realizó el cálculo con la Teoría de Esfuerzo Cortante
Máximo (MSST) también conocida como criterio de fluencia de Tresca, la DET predice la fluencia bajo cargas combinadas con mayor exactitud que cualquier otra teoría reconocida (aunque la diferencia entre la DET y la MSST son pequeñas).
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32 ᴨ + 322 ᴨ85510 269.83 +17.58 .
Ecuación 102: Diámetro según Criterio de fluencia de Tr esca
Debido a que en el cálculo solo se están tomando las cargas que se generan en el eje del ventilador sin tomar en consideración la tensión que se genera por la correa que se trasmite hacia la polea del alimentador vibratorio el diámetro mínimo que utilizaremos será de 20 mm.
D). Análisis mediante elementos finitos Se procedió primero al diseño del eje y posteriormente se simuló el modelo en Elementos Finitos utilizando el software Solidworks en la figura 55 se aprecia el eje sometido a fuerzas. Figura 121: Eje sometido a cargas en el sowfare FEA
Fuente:(Elaboración Propia)
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Tabla 23: Resultado del análisis estático del eje principal
Resultados del Análisis Estático del Eje del ventilador Nombre Tensiones 1
Tipo
Mín.
Máx.
VON: tensión de von
252.511 N/m^2
2.35 x 107N/m^2
0.0 mm
0.0057 mm
10.59
400
mises
Desplazamientos Factor de seguridad
URES: Desplazamiento resultante Automático
Propiedades del Material Nombre: Limite elástico: Límite de tracción:
Acero laminado en Frio AISI 1020 2.5 x 108 N/m^2 4.0 x 108 N/m^2
Fuente:(Elaboración Propia)
Los datos obtenidos del análisis estático del eje del ventilador nos indica que el elemento de maquina no fallara por resistencia mecánica debido a que los esfuerzos generados son menores al límite elastico además el desplazamiento máximo es 0.057 mm con un factor de seguridad de 10. Figura 122: Análisis de tensiones en el eje del ventilador.
Fuente:(Elaboración Propia)
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Figura 123: Análisis de desplazamientos en el eje del ventilador.
Fuente:(Elaboración Propia)
En el analisis se observa que el desplazamiento máximo es de 0.057 mm Figura 124: Análisis del factor de seguridad en el eje del ventilador.
Fuente:(Elaboración Propia)
En el analisis se observa que el factor de seguridad mínimo es de 10.5 lo cual nos indica que el eje no fallara por resistencia mecánica.
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Para el cálculo de los rodamientos del eje del ventilador utilizaremos la calculadora de rodamientos del software SolidWorks, esto nos ayuda a calcular la cantidad de horas útil del rodamiento seleccionado y de esta forma nos ahorra tiempo para la selección de rodamientos; pero hay que tener en claro que para hacer uso de la calculadora debemos tener conocimiento en rodamientos y de valores que la calculadora necesita. Figura 125: Calculadora de rodamientos aplicada al eje del ventilador.
Fuente:(Elaboración Propia)
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En la figura anterior podemos ver que la confiabilidad está ajustada a un 90% esto es debido a que la maquina trabajara en las zonas andinas donde es difícil la realización del mantenimiento entonces se ajustó a un 90 % unas marca muy conocida de rodamientos es la marca SKF, conociendo los diámetros de diseño del eje se escogió un rodamiento con un diámetro interior de 25 mm , el cual en catalogo es el rodamiento rígido de bolas con el número de serie 6305 además que es muy fácil de conseguir. Se ingresó también a la calculadora la carga que en este caso era de 126.44 y la velocidad de trabajo siendo esta de 550 RPM lo cual al momento de calcular la vida del rodamiento nos da un valor de vida en horas:
150 10
horas. Lo
cual indica que el rodamiento estaría operativo durante todo el tiempo de uso de la maquina siempre y cuando el rodamiento esté debidamente lubricado.
4.4.1. Selección del motor Para obtener la potencia que necitamos para seleccionar el motor Aplicaremos la siguiente formula.
+ 369 Ecuación 103: Potencia máxima.
104.5 +369 473.5
Para encontrar la potencia de trabajo utilizaremos la siguiente ecuación:
Ecuación 104: Potencia total.
Donde cs es el coeficiente de seguridad para este caso utilizaremos el valor de 1.5
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473. 5 1. 5 710.25
Asumiendo que el rendimiento general de fajas y rozamientos entonces tenemos que la potencia del motor será:
710.0.925 739.84
Ecuación 105: Potencia del motor.
Al obtener la potencia que se requiere en el motor que es 739.84 W o de 1 Hp procedemos a seleccionar el motor. Los datos técnicos del motor se encuentran en el anexo E Figura 126: Datos eléctricos del motor de 1 hp marca WEG.
Fuente:( Catálogo de motores WEG)
4.4.2. Selección de bandas Existen varios tipos de banda, se selecciona una banda trapecial; la
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misma que puede ser de tipo A, B, C D, E, F, G y Z cada una de estas con diferentes dimensiones: Para determinar el tipo de banda es necesario conocer la potencia corregida:
∗
Ecuación 106: Potencia Corregida.
Donde C = 1.15 es una constante para servicio normal y accionamiento por motor eléctrico.
11.ℎ∗1. 1 5 15 ℎ
Con los datos de potencia y revoluciones se procede a elegir el tipo de banda. Figura 127: Tabla para la selección de correas
Con la potencia y las revoluciones del motor el tipo de correa más adecuada es la “A”
Para el Cálculo de la relación de transmisión en un tren de poleas tenemos la siguiente ecuación.
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Figura 128: Transmisión por correas de la maquina
Fuente:( Elaboración Propia)
Ecuación 107: relación de transmisión.
Donde: i= relación de transmisión
n2 = velocidad angular de la polea conducida n1= velocidad angular de la polea motriz Se recomienda que i para un funcionamiento adecuado sea entre 1 a 6 n1 = 1730 n2 =550
3.1454
Dimensionamiento de la polea motriz y conducida. El diámetro de la polea motriz está determinado por el tipo de banda y el Angulo de garganta de la polea de 38 °. Escogemos el diámetro de la polea menor dp= 80 mm ya que está
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dentro del rango de tipo A que va desde (75 – 1000 mm)
∗ Donde: I= relación de transmisión. Dp1 = diámetro en mm de la polea menor- motriz. dp2 =diámetro en mm de la polea mayor- conducida 1.
3.145∗ 80 251.632 252
Se procede a la aproximación del entero superior Para determinar la distancia entre ejes se tiene 2 condiciones. - para i entre 1 a 3
- para i mayor que 3:
≥ +12 + ≥
Dónde: c =252 mm como mínimo Par determinar la longitud primitiva de la banda Ecuación 108: Longitud de la banda.
2∗+1.57∗++ 4∗2 1024.8 Conociendo este valor y la sección utilizada, se consulta en la tabla
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que entrega la identificación de la correa adecuada Tabla 24: Longitudes primitivas de las correas
Fuente:(Selección de correa trapezoidales)
Una vez calculada la longitud L de la correa y ser seleccionada Ln (longitud normalizada) se debe recalcular definitivamente la distancia entre centros real con la siguiente formula:
Signo Signo
+ < > cuando
±| 2 |
cuando
284.6
Para el cálculo de la banda entre la polea conducida 1 y conducida 2 tenemos la siguiente relación de transmisión.
550200 2.75
Para hallar en segundo diámetro de la polea conducida 1 tenemos:
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2 2602.75 2 94.54 95
Se procede a la aproximación del entero superior Para determinar la distancia entre ejes de poleas conducidas se trabajó con la siguiente condición. - para i entre 1 a 3
≥ +12 + ≥ 2.5+195 +95 2 ≥266.25
De acuerdo a la condición la distancia mínima entre ejes es de 266. Pero debido a criterios técnicos como la ubicación de las chumaceras del ventilador se optó por que la distancia sea de 430 mm Par determinar la longitud primitiva de la banda
2∗+1.57∗++ 4∗2 1440.6
Conociendo este valor y la sección utilizada, se consulta en la tabla que entrega la identificación de la correa adecuada
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Una vez calculada la longitud L de la correa y ser seleccionada Ln (longitud normalizada) se debe recalcular definitivamente la distancia entre centros real con la siguiente formula:
Signo Signo
+ < > cuando
±| 2 |
cuando
423.2
Con los datos obtenidos del tipo y tamaño de la fajas se procedió a seleccionar de un catálogo la faja de acuerdo a los requerimientos (ver anexo F) El material de diseño para estas poleas es el acero de construcción ST 37, el cual es óptimo para este tipo de elementos, no se realizó el cálculo de elementos finitos porque no tiende a deformarse y el desgaste es mínimo en el área de la banda lo que resulta innecesario analizar las poleas; hay que tener en cuenta los diámetros primitivos de las poleas.
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4.4.3. Selección del tipo de soldadura La mayor parte de las uniones por soldadura se encuentra en la estructura base de la máquina, que está formada por un conjunto de perfiles cuadrados de 30x30x1.5mm de acero estructural ASTM A500 galvanizado (ver anexo F) unidos entre ellos mediante soldadura por lo que se tiene un sistema estructural de nodos rígidos. Los electrodos empleados para soldadura de arco manual serán de la serie E6011. Según recomendación de fabricante con un ancho de filete te 5 mm. Figura 129: detalle de los cordones de soldadura
Fuente:( Elaboración Propia)
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CAPITULO V. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN
1.1. Costos. En el siguiente análisis económico se pretende dar una descripción general de todos los gastos realizados para obtener el valor de la
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inversión realizada en el diseño y construcción de la máquina.
1.1.1. Costos Directos En el análisis se toma en cuenta los gastos por materiales, mano de obra, equipos y maquinarias además de la fabricación de componentes realizados por proveedores externos. El análisis de costos de componentes y accesorios se realizará por subconjuntos tal como se muestra en los planos de la máquina. Los costos de materiales y accesorios mecánicos e hidráulicos de la máquina se detallan a continuación A). Costos de materiales y componentes hidráulicos B). Costos de materiales y componentes mecánicos
C). Costos de materiales y accesorios para el sistema de control eléctrico. D). Costos por mano de obra E). Costos por maquinaria y equipos utilizados
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1.1.2. Costos Indirectos. Costos de mano de obra indirecta y de gastos de fabricación que no pueden cargarse directamente a unidades específicas. Tales como mano de obra indirecta (fuera del maquinado) tal como:
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Costos de ingeniería Son todos aquellos que intervienen en el diseño pues para cada uno de los elementos maquinados y seleccionados se tuvo que hacer cálculo que nos permitiera saber que cada elemento funcionara correctamente, aun bajo condiciones críticas.
1.1.3. Costos Totales. Costo total El costo total del diseño de la maquina es aproximadamente:
xxxx 1.2. Planos. Los planos de la máquina se presentan en el anexo Q, en ellos se encontrará toda la información necesaria para la construcción y montaje de la máquina.
1.3.
Manual de operación y mantenimiento de la máquina dobladora
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CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones
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6.2. Recomendaciones
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ANEXOS Anexo a
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