UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MOLINO TRITURADOR DE BOTELLAS DESECHABLES
Proyecto profesional de grado previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico: Especialidad Mecánica Automotriz.
Autores:
Mauricio Iván Falconi Flores. Robinson Rodrigo Tiaguaro Rea.
Tutor:
Ing. Msc. Juan Carlos Parra.
Quito, Octubre del 2009.
II
DECLARACIÓN
Nosotros, Falconi Flores Mauricio Ivan y Tiaguaro Rea Robinsón Rodrigo. Declaramos bajo juramento que el trabajo aquí escrito es de nuestra auditoria; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo. A la Universidad Tecnológica América, según lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su reglamento y por la normativa institucional vigente.
------------------------------------
-----------------------------------
Falcón F. Mauricio I.
Tiaguro R. Robinsón R.
III
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente Proyecto Profesional de Grado titulado ¨ MOLINO TRITURADOR DE BOTELLAS DESECHABLES, fue un trabajo desarrollado por los señores Egresados: Falconi Flores Mauricio Iván y Tiaguaro Rea Robinson Rodrigo, de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica América, de forma integra e inédita de acuerdo a mi direccionamiento.
Ing. Msc. Juan Carlos Parra
Docente de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería UNITA
Director del Proyecto
IV
DEDICATORIA
El presente proyecto está dedicado a La mujer que me dio el ser Mi Madre ¨ Margarita Leonor Flores ¨; Por su apoyo incondicional y moral.
A Ximena y Franklin mis hermanos; Gracias por todo el cariño brindado sobre toda circunstancia.
Mauricio Falconi Flores.
A quienes me han inculcado valores que con el transcurrir del tiempo sirvieron para formar una persona de bien y que cada minuto de mi vida me impulsan a seguir adelante, mis padres.
Con quienes han compartido conmigo: risas, llantos, juegos, “peleas”, aventuras, emociones… en fin un millón de cosas, mis hermanos.
Y a Dios, que con un soplo divino dio vida a este ser que por algún motivo me puso en este camino, y este camino tiene nombre: ayudar y dar alegría a muchas personas.
Robinson Tiaguaro
V
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Tecnológica América y a todo el personal docente que conforma la Facultad de Ciencias de la Ingeniería Mecánica, por compartir los conocimientos básicos para nuestra formación tanto profesional como personal.
Un agradecimiento especial y de gratitud al Ing. Juan Carlos Parra por compartir sus conocimientos profesionales, sugerencias, don de gente e ideas.
Al Sr. Geovanny Chacon Gerente General de la Empresa Estratech Cía. Ltda. por facilitarnos las instalaciones y equipos indispensables para la fabricación armado y ensamblaje de nuestro proyecto.
Y a cada una de las personas que de una u otra manera supieron aportar con su apoyo, sugerencias y conocimientos para llegar a la culminación de este trabajo.
VI
ÍNDICE GENERAL Página
PORTADA
I
DECLARACIÓN
II
CERTIFICACIÓN
III
DEDICATORIA
IV
AGRADECIMIENTO
V
ÍNDICE GENERAL
VI
ÍNDICE DE FIGURAS
XIII
ÍNDICE DE TABLAS
XVI
RESUMEN
XVII
INTRODUCCIÓN
XIX
CAPÍTULO I LOS DESECHOS PLÁSTICOS 1.1.- INTRODUCCIÓN
1
1.2.- BREVE RESEÑA HISTÓRICA DE LOS DESECHOS
2
1.3.- PROBLEMA DE DESECHOS EN EL ECUADOR
3
1.3.1.- PORCENTAJES DE DESECHOS EN EL ECUADOR
6
1.4.- DESECHOS SÓLIDOS
6
1.4.1.- PROCESO DE RECUPERACIÓN DE RECURSOS
7
1.4.2.- PROCESAMIENTO DE RESIDUOS
7
1.4.3.- REUTILIZACIÓN
8
1.5.- PROCESO DE RECICLAJE
8
1.5.1.- EL OBJETIVO DE RECICLAR
8
1.5.2.- EL REAPROVECHAMIENTO EN EL RECICLAJE
9
1.6.- BENEFICIOS DEL RECICLAJE
9
1.6.1.- VENTAJAS QUE PROPORCIONA EL RECICLAJE
9
1.7.- ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN
10
VII
1.8.- COMERCIALIZACIÓN Y ADQUISICIÓN
11
1.9.- EL PLÁSTICO
11
1.9.1.- IDENTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN DEL TIPO DE PLÁSTICO
12
1.9.1.1.- PROBLEMAS EN LA IDENTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN DEL PLÁSTICO 13 1.9.2.- CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE LOS SÍMBOLOS PLÁSTICOS
13
1.9.2.1.- POPLIETILENO TEREFTALATO (PET) 1
14
1.9.2.2.- POPLIETILENO ALTA DENSIDAD (PEAD) 2
14
1.9.2.3.- CLORURO DE POLIVINILO (PVC) 3
14
1.9.2.3.1.- PVC RÍGIDO
15
1.9.2.3.2.- PVC FLEXIBLE
15
1.9.2.4.- POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD) 4
16
1.9.2.5.- POLIPROPILENO (PP) 5
16
1.9.2.6.- POLI-ESTIRENO (PS) 6
17
1.9.2.7.- OTROS PLÁSTICOS (OTHER) 7
18
1.10.- CONSIDERACIONES PARA LA UTILIZACIÓN DEL PLÁSTICO RECICLADO
18
1.11.- APROVECHAMIENTO DE LOS RECURSOS PLÁSTICOS
19
1.11.1 TRITURACIÓN DE LOS RECURSOS PLÁSTICOS INDUSTRIALES
19
1.11.2.- PROCESO DE TRITURACIÓN DEL PLÁSTICO
20
1.12.- IMPORTANCIA DE LOS MOLINOS TRITURADORES DE PLÁSTICOS
21
CAPÍTULO II PARÁMETROS, ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 2.1.- DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
23
2.1.1.- RESTRICCIÓN Y LIMITACIÓN
23
2.2.- PARÁMETROS DE DISEÑO
24
2.2.1.- COSTO DE FABRICACIÓN
25
2.2.2.- SEGURIDAD DE OPERACIÓN
25
2.2.3.- FACILIDAD DE MANTENIMIENTO
25
2.2.4.- CUMPLIR CON LA NECESIDAD DEL CLIENTE
26
2.2.5.- ASPECTO DE LA MÁQUINA
26
2.2.6.- ERGONOMÍA DE LA MÁQUINA
26
VIII
2.2.7.- FUNCIONALIDAD
28
2.3.- PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
28
2.3.1.- ALTERNATIVA 1
29
2.3.2.- ALTERNATIVA 2
30
2.3.3.- ALTERNATIVA 3
33
2.4.- SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA MÁS VIABLE
35
2.4.1.- CONCLUSIÓN DE LA EVALUACIÓN
36
2.5.- ESTUDIO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA
37
2.5.1.- FUNCIONAMIENTO DEL MOLINO TRITURADOR
37
2.5.2.- MATERIALES A SER UTILIZADOS EN SU COSNTRUCCIÓN
38
2.5.3.- APLICACIÓN DE TÉCNICAS Y NORMAS DE COSNTRUCCIÓN
38
2.5.4.- SISTEMAS DE FIJACIÓN Y UNIÓN DE ELEMENTOS
39
CAPITULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO TRITURADOR 3.1.- DISEÑO, CÁLCULO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS
40
3.2.- CÁLCULO DEL NÚMERO DE REVOLUCIONES PARA EL CORTE
41
3.2.1.- CÁLCULO DEL PESO DE LAS ALETAS PARA CORTE
42
3.2.1.1.- CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CUADRANTE DE CÍRCULO
43
3.2.1.2.- CÁLCULO DE LA MASA DEL CUADRANTE DE CÍRCULO
43
3.2.1.3.- CÁLCULO DEL PESO DEL CUADRANTE DE CÍRCULO
44
3.2.2.1.- CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL RECTÁNGULO DE LA ALETA
45
3.2.2.2.- CÁLCULO DE LA MASA DEL RECTÁNGULO
45
3.2.2.3.- CÁLCULO DEL PESO DEL RECTÁNGULO
46
3.2.3.1.- CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA PARÁBOLA
46
3.2.3.2.- CÁLCULO DE LA MASA DE LA PARÁBOLA
47
3.2.3.3.- CÁLCULO DEL PESO DE LA PARÁBOLA
48
3.2.4.- CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ALETA
49
3.2.4.1.- CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA PARÁBOLA
49
3.2.4.2.- CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DEL RECTÁNGULO
50
3.2.4.3.- CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DEL CUADRANTE DEL
IX
CÍRCULO 3.2.4.4.- UBICACIÓN DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ALETA
51 52
3.3.- CÁLCULO DE LA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO PARA EL CORTE DE LA BOTELLA DE PET
57
3.3.1.- CÁLCULO DE LA VELOCIDAD TANGENCIAL
58
3.3.2.- CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN
58
3.3.3.- CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CORTE
59
3.4.- SELECCIÓN DE LA CORREA TRAPEZOIDAL
60
3.4.1.- DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE SERVICIO
60
3.4.2.- CÁLCULO DE LA POTENCIA DE DISEÑO
61
3.4.3.- DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN DE LA BANDA
62
3.4.4.- SELECCIÓN DE LOS DIÁMETROS DE POLEAS, LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN Y EL NÚMERO DE REVOLUCIONES DEL EJE ROTOR
62
3.4.5.- CÁLCULO DE LA POTENCIA CORREGIDA POR CORREA TRAPEZOIDAL 3.4.6.- CÁLCULO DEL NÚMERO DE CORREAS TRAPEZOIDALES
64 64
3.4.7.- CÁLCULO DE LA TENSIÓN TRANSMITIDA POR CORREA TRAPEZOIDAL
65
3.4.7.1.- CÁLCULO DEL FACTOR DE CORRECCIÓN
66
3.4.7.1.1.- CÁLCULO DE LA DISTANCIA ENTRE EJES DE LAS POLEAS
67
3.5.- DISEÑO Y CÁLCULO DEL EJE ROTOR
69
3.5.1.- DATOS INTEGRADOS DE LA MÁQUINA PARA EL CÁLCULO DEL EJE
70
3.6.- FUERZAS ACTUANTES EN EL PLANO “ X – Y “ DEL EJE ROTOR
71
3.6.1.- DIAGRAMA DE CORTANTE
72
3.6.2.- DIAGRAMA DE MOMENTOS
73
3.7.- FUERZAS ACTUANTES EN EL PLANO “ X – Z “ DEL EJE ROTOR
73
3.7.1.- CÁLCULO DE LA FUERZA DE CORTE
73
3.7.2.- TENSIONES PRODUCIDAS POR LA CORREA TRAPEZOPIDAL
76
3.7.3.- DIAGRAMA DE CORTANTE
77
3.7.4.- DIAGRAMA DE MOMENTOS
78
3.8.- DISEÑO DEL ROTOR
78
X
3.8.1.- CÁLCULO DEL MOMENTO RESULTANTE MÁXIMO
79
3.8.2.- CÁLCULO DE LOS FACTORES QUE MODIFICAN EL LÍMITE A FATIGA DEL EJE ROTOR
80
3.8.2.1.- FACTOR DE RESISTENCIA DE SUPERFICIE (KA)
81
3.8.2.2.- FACTOR DE RESISTENCIA DE TAMAÑO (Kb)
81
3.8.2.3.- FACTOR DE CARGA (Kc)
82
3.8.2.4.- FACTOR DE RESISTENCIA DE TEMPERATURA (Kd)
82
3.8.2.5.- FACTOR DE EFECTOS DIVERSOS (Ke)
83
3.8.2.6.- FACTOR DE LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA (Se´)
86
3.8.3.- CÁLCULO DEL TORQUE
86
3.9.- CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD
87
3.10.- CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA DEL EJE
88
3.11.- SELECCIÓN DE RODAMIENTOS
89
3.12.- SELECCIÓN DE LA CUÑA O CHAVETA
92
3.13.- DISEÑO DE LAS ALETAS PARA CORTE
94
3.13.1.- DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE
95
3.13.1.1 DIAGRAMA DE CORTANTE
96
3.13.1.2.- DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
96
3.13.2.- CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA ALETA
97
3.13.2.1.- MOMENTO DE INERCIA DEL CUADRANTE DE CÍRCULO
98
3.13.2.2.- MOMENTO DE INERCIA DEL RECTÁNGULO
99
3.13.2.3.- MOMENTO DE INERCIA DE LA PARÁBOLA
100
3.13.3.- CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA TOTAL
101
3.13.4.- DEFLEXIÓN MÁXIMA EN LA ALETA
102
3.14.- SELECCIÓN DE LAS CUCHILLAS PARA CORTE
103
3.14.1.- AFILADO DE LAS CUCHILLAS DE CORTE
104
3.15.- DIMENSIONAMIENTO, ESQUEMA Y FABRICACIÓN DE LA TOLVA DE ALIMENTACIÓN
105
3.15.1.- PARTES COMPONENTES DE LA TOLVA
105
3.15.2.- PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA TOLVA
106
3.16.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE MOLIENDA
107
XI
3.16.1.- DISEÑO Y
DIMENSIONAMIENTO
DE
LOS
APOYOS
PARA LAS CUCHILLAS MÓVILES
109
3.16.2.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLACA PARA SUJESIÓN DEL TAMIZ
110
3.16.3.- SOLDADURA DE LA CÁMARA DE MOLIENDA
110
3.16.4.- DIMENSIONAMIENTO DEL TAMIZ DE CERNIDO
114
3.16.5.- DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE DESCARGA
115
3.17.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLACA SOPORTE DEL MOTOR
116
3.18.- DISEÑO Y CÁLCULO DE LA MESA O ESTRUCTURA PARA SOPORTE
118
3.18.1.- CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ESTRUCTURA
120
3.18.2.- UBICACIÓN Y REPRESENTACIÓN DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
125
3.18.3.- CÁLCULO DE LA FUERZA DE EMPUJE
127
3.18.4.- CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
129
3.18.4.1.- DIAGRAMA DE MOMENTOS FLECTORES EN EL PORTICO
135
3.18.4.2.- CÁLCULO DE LA DEFLEXIÓN MÁXIMA EN LA VIGA SUPERIOR ¨ B - C ¨ DEL PORTICO
138
3.18.4.2.1.- DIAGRAMA DE CORTANTE DE LA VIGA
141
3.18.4.2.2.- DIAGRAMA DE MOMENTOS DE LA VIGA
141
3.18.4.2.3.- CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO
144
3.18.4.2.4.- CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD
144
3.18.4.3- DISEÑO DE LOS PUNTALES DE LA ESTRUCTURA
145
CÁPÍTULO IV CONSTRUCCIÓN,
MONTAJE,
GASTOS
Y
PRUEBAS
DE
FUNCIONAMIENTO 4.1.- CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE ELEMENTOS
151
4.2.- ANÁLISIS DE COSTOS DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO
153
XII
4.2.1.- COSTO DE MATERIALES
154
4.2.2.- COSTO DE MANO DE OBRA
155
4.2.3.- COSTO GASTOS VARIOS
155
4.2.4.- COSTO TOTAL DEL PROYECTO
156
4.3.- PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
156
4.3.1.- RESULTADO DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
159
4.3.2.- PRUEBAS DE CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN
160
CONCLUSIONES
164
RECOMENDACIONES
165
BIBLIOGRAFÍA
166
ANEXOS
169
XIII
ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 1.1
Planta de clasificación de desechos
5
Figura 1.2
Símbolo de identificación del plástico
13
Figura 2.1
Triturador con un eje rotor de 2 aletas con 2 cuchillas Giratorias y 2 cuchillas fijas
Figura 2.2
Triturador con eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias Y 2 cuchillas fijas
Figura 2.3
29
31
Triturador con rodillos de prensado, con un eje rotor Cilíndrico
33
Figura 3.1
Configuración geométrica del eje rotor
42
Figura 3.2
Geometría de las aletas para corte
42
Figura 3.3
Centro de gravedad de la parábola
49
Figura 3.4
Centro de gravedad del rectángulo
50
Figura 3.5
Centro de gravedad del cuadrante de círculo
51
Figura 3.6
Ubicación de los centros de gravedad de cada cuerpo que forma la aleta
Figura 3.7
52
Ubicación del centro de gravedad de la aleta con respecto A los ejes ¨X – Y¨
55
Figura 3.8
Fuerzas actuantes en la aleta
55
Figura 3.9
Tensión en las correas trapezoidales
65
Figura 3.10 Fuerzas actuantes ¨X – Y¨
72
Figura 3.11 Diagrama de cortante
72
Figura 3.12 Diagrama de momentos
73
Figura 3.13 Fuerzas resultantes en la polea del eje rotor
76
Figura 3.14 Fuerzas actuantes ¨X – Z¨
77
Figura 3.15 Diagrama de cortante
77
Figura 3.16 Diagrama de momentos
78
Figura 3.17 Configuración geométrica del eje
89
Figura 3.18 Fuerzas en los extremos ¨A y B¨ del eje
89
Figura 3.19 Configuración geométrica de la chaveta
93
Figura 3.20 Configuración geométrica de las aletas
95
XIV
Figura 3.21 Diagrama de cuerpo libre
95
Figura 3.22 Diagrama de cortante de la aleta
96
Figura 3.23 Diagrama de momento flector de la aleta
96
Figura 3.24 Graficas que componen la aleta
97
Figura 3.25 Cuadrante de círculo de la aleta
98
Figura 3.26 Rectángulo de la aleta
99
Figura 3.27 Parábola de la aleta
100
Figura 3.28 Ángulos de las cuchillas para corte
104
Figura 3.29 Tolva de alimentación
107
Figura 3.30 Cámara de molienda
109
Figura 3.31 Placa apoya cuchillas
109
Figura 3.32 Placa de sujeción del tamiz
110
Figura 3.33 Fuerzas actuantes en los soportes de cuchillas móviles
111
Figura 3.34 Área de soldadura de soportes para cuchillas
112
Figura 3.35 Tamiz de cernido
115
Figura 3.36 Tolva de descarga
115
Figura 3.37 Placa de soporte del motor eléctrico
116
Figura 3.38 Diseño y medidas constructivas de la mesa soporte
120
Figura 3.39 Centros de gravedad sección A
121
Figura 3.40 Centros de gravedad sección B
122
Figura 3.41 Ubicación de centros de gravedad secciones ¨A – B ¨ plano ¨X – Z¨
122
Figura 3.42 Ubicación de centros de gravedad secciones ¨ A – B ¨ Plano ¨ X – Y ¨
124
Figura 3.43 Ubicación del centro de gravedad de la estructura soporte
126
Figura 3.44 Aplicación de la fuerza de empuje
127
Figura 3.45 Estructura o mesa soporte
128
Figura 3.46 Pesos que actúan en la mesa o estructura soporte
129
Figura 3.47 Configuración geométrica y dimensiones de la mesa o estructura soporte
130
Figura 3.48 Diagrama de cuerpo libre del pórtico
131
Figura 3.49 Diagrama de momentos flectores en el pórtico
135
Figura 3.50 Diagrama de cuerpo libre de la viga ¨ B – C ¨
138
XV
Figura 3.51 Diagrama de cortante de la viga ¨ B – C ¨
141
Figura 3.52 Diagrama de momentos de la viga ¨ B – C ¨
141
Figura 4.1
157
Tipo de botellas
XVI
ÍNDICE DE TABLAS Página
Tabla 2.1
Promedio de estaturas
27
Tabla 2.2
Calificación de alternativas
35
Tabla 3.1
Matriz de factor de servicio
61
Tabla 3.2
Sección de la correa trapezoidal
62
Tabla 3.3
Selección de diámetros de poleas y la relación de Transmisión
63
Tabla 3.4
Factores para corrección
68
Tabla 3.5
Diagrama de factores de concentración de esfuerzos teóricos Kt
84
Tabla 3.6
Diagrama de sensibilidad de la muesca
85
Tabla 3.7
Selección de chavetas y ranuras
93
Tabla 3.8
Propiedades de metal soldante
111
Tabla 4.1
Costo de materiales
154
Tabla 4.2
Costo de mano de obra
155
Tabla 4.3
Costo gastos varios
155
Tabla 4.4
Costo total del proyecto
156
Tabla 4.5
Prueba de corte 1
157
Tabla 4.6
Prueba de corte 2
158
Tabla 4.7
Prueba de corte 3
158
Tabla 4.8
Prueba de corte 4
159
Tabla 4.9
Resultado de pruebas de funcionamiento
159
Tabla 4.10
Tiempos y pesos de operación ciclo 1
160
Tabla 4.11
Tiempos y pesos de operación ciclo 2
161
Tabla 4.12
Tiempos y pesos de operación ciclo 3
161
Tabla 4.13
Tiempos y pesos de operación ciclo 4
162
Tabla 4.14
Tiempos y pesos totales por número de ciclos de operación
162
XVII
RESUMEN
El presente Proyecto Profesional de Grado tiene como propósito diseñar y construir un molino triturador de botellas plásticas desechables, cuya finalidad es el de incentivar el reciclaje de productos desechables plásticos generando de esta manera una nueva fuente de trabajo.
El molino triturador de botellas plásticas desechables es una máquina que tritura o corta las botellas plásticas en partículas pequeñas. Estas partículas se las denominan pellets; Y con la ayuda de una máquina estrusora los pellets se pueden convertir en productos plásticos nuevos; Que luego podrán ser comercializados.
El primer capítulo del presente proyecto abarca una breve reseña histórica de los productos plásticos, los problemas de desechos que existen en el Ecuador , porcentajes de tipos de desechos en las principales ciudades del Ecuador, procesos para el reciclaje, beneficios del reciclaje, el plástico, tipos de plásticos, identificaciones y codificaciones en los plásticos, comercialización y adquisición de plásticos.
En el segundo capítulo se realiza el respectivo estudio de los parámetros de diseño, el análisis y la selección de la alternativa más viable, con la ayuda de un cuadro comparativo de calificación de factores que influyen en la selección; Terminando con el estudio de la alternativa seleccionada.
El tercer capítulo está dedicado al diseño del molino triturador, partiendo del cálculo del motor de accionamiento, cálculo de correas trapezoidales, selección de poleas, cálculo del eje rotor, selección de rodamientos y cuchillas de corte, diseño de la tolva de alimentación y de la cámara de molienda, cálculo de uniones soldadas, cálculo y diseño de la estructura soporte de los elementos que forman el molino triturador.
XVIII
Y el capítulo cuarto esta compuesto por el montaje de elementos, gastos incurridos en la fabricación del proyecto, pruebas de funcionamiento, conclusiones y recomendaciones.
Además terminando en los anexos con los planos de construcción de la máquina, un manual de operación y de mantenimiento, tablas de selección de propiedades de aceros, perfil estructural, cuchillas, rodamientos, motor eléctrico y fotografías de la máquina.
XIX
INTRODUCCIÓN
La contaminación del medio ambiente es un gran problema para todos los países desarrollados y subdesarrollados.
Se considera como contaminación a todo tipo de desechos tales como desechos químicos, desechos industriales, basura sólida a los recipientes plásticos, cartón, vidrio, metales, fibras textiles, etc. y la basura orgánica.
Siendo un 90% de todos estos desechos reciclables.
Reciclable quiere decir volver a fabricar productos nuevos de productos convertidos en basura.
El presente estudio se basa en el reciclado del plástico PET que es utilizado en la fabricación de botellas y envases desechables, con productos de gran consumo humano.
El PET es un derivado del petróleo altamente contaminante. Para que un producto desechable de PET se destruya en la naturaleza toma un periodo mayor a 500 años, mientras que al ser incinerado produce gases nocivos altamente contaminantes para la atmósfera.
Al tener como gran problemática al tiempo para destrucción y la emanación de gases contaminantes por la incineración, se procede al diseño y construcción de un molino triturador de desechos plásticos de PET. Donde la acción de cortar y triturar al plástico en partículas pequeñas facilita el reproceso del PET, sin producir daños al medio ambiente.
La idea principal del proyecto se fundamente en un prototipo de un molino triturador, la máquina mencionada se diseña y calcula mediante el análisis de la
XX
teoría de falla en cada uno de sus elementos, se construye mediante materiales y elementos existentes en el mercado local. Los propósitos fundamentales que persigue el presente proyecto son: Generar tecnología en el país, incentivar el reciclaje como una gran alternativa. La optimización de recursos agotables como el petróleo, crear fuentes de trabajo y evitar la contaminación con productos que toman demasiado tiempo para su destrucción.
El molino triturador corta botellas desechables de 500cc. de capacidad, que son fabricadas de PET, el corte se efectúa por un proceso netamente mecánico. Que se detalla a continuación.
La botella de PET es prensada y luego introducida en la tolva de alimentación, la misma que tiene contacto directo con la cámara de molienda; En cuyo interior se encuentra el eje rotor, el mismo que gira a 754 RPM, posee dos cuchillas giratorias las mismas que arrastran a la botella en el interior de la cámara de molienda, el arrastre produce que choque la botella contra las cuchillas fijas ocasionando de esta manera el corte por cizalladura.
Paulatinamente la botella plástica es arrastrada y cortada alcanzado partículas de dimensiones que puedan pasar por el tamiz de cernido de esta manera siendo evacuadas hacia el exterior. El eje rotor es accionado por un motor eléctrico con un sistema de transmisión por banda trapezoidal.
Concluye el proyecto presentando las capacidades de producción, costos reales de la fabricación de la máquina, y un manual de mantenimiento de la máquina.
1
CAPITULO I
LOS DESECHOS PLÁSTICOS
1.1 INTRODUCCIÓN.
La industria del plástico empezó con el descubrimiento de la nitrocelulosa por el ingles Alexander Parkes en 1864, Parkes no exploto comercialmente su descubrimiento. Luego de 10 años las industrias se dieron cuenta de lo que podrían fabricar con esta nueva materia.1
Con la materia prima del plástico se puede elaborar diversos artículos tales como: Auto partes, utensilios para el hogar, envases para líquidos, recipientes para vegetales, legumbres, fibras textiles, etc.
Luego que estos y otros productos plásticos cumplen su ciclo de vida son desechados, convirtiéndose en un gran problema de contaminación para el medio ambiente.2
Los plásticos biodegradables tardan en degradarse aproximadamente 25 años, en cambio los plásticos de alta densidad demoran un promedio de 500 años.3
El plástico se obtiene del petróleo que es un recurso agotable en la naturaleza, al incinerarlo es altamente contaminante produce gases que alteran la capa de ozono.4
1
MICHAELI Greig Kaufman Vossenburger, pág. 7 Integra pág. 10 3 Ibíd. 2 pág. 10 4 www.Monografias.com/trabajos10recis.shtml 2
2
Para evitar estos dos grandes problemas por parte del plástico algunos países industrializados han empezado a aplicar políticas para el reciclaje de papel, vidrio, cerámica, metales y plástico.
En nuestro país estas políticas ya se están implementando por parte de algunas empresas dedicadas a la fabricación de productos plásticos. Reciclando únicamente el desecho interno obtenido en la fabricación de productos nuevos. 5
Para un mínimo porcentaje de la cantidad de desecho existente en las calles y en los botaderos de la ciudad existen microempresas que se dedican a la recolección, venta y transporte de plástico hacia el país de Colombia, por la falta de recursos e incentivos por parte del gobierno no se obtienen resultados favorables para el país.6
Para comenzar con la cadena del reciclaje de plástico las empresas utilizan personas que clasifican y separan los residuos con la ayuda visual, códigos impresos en los recipientes, coloraciones, densidades, y tipo de plásticos. Para luego estos ser triturados en molinos de corte o trituración, medio por el cual se obtienen medidas apropiadas para poder fundirlos, y fabricar productos nuevos.7
Se debe tomar en cuenta que los productos fabricados con plástico reciclado no puede ser utilizado para envasar o almacenar alimentos, pero si otro tipo de productos tales como: auto partes, envases de shampoo, aceites y aditivos para vehículos, etc.8
1.2 BREVE RESEÑA HISTORICA DE LOS DESECHOS.
Desde que Eva arrojo el primer corazón de manzana, comenzaron a aparecer los residuos, los cuales no fueron de fundamental importancia, mientras los hombres
5
www.municipiodeloja.gov.ec. Pág. 1 Ibíd. 5, pág. 1 7 www.ambiente.gov.ec/AMBIENTE/legislación/docs/libroVII_TV.htm 8 Ibíd. 1 pág. 8 6
3
vivían como tribus nómadas, pues los residuos quedaban y ellos cambiaban de lugar, pero comenzó a ser relevante cuando estas poblaciones se convirtieron en sedentarias, pues sus residuos eran depositados en su entorno. Pero el problema verdadero apareció cuando se conformaron las ciudades, ya que el número de habitantes se incremento y por ende sus desperdicios.9
1.3 PROBLEMA DE DESECHOS EN EL ECUADOR.
La basura en el Ecuador constituye un gran problema, porque los diferentes municipios que conforman el territorio no poseen recursos económicos para realizar estudios y programas de recolección de desechos, para los diferentes tipos de basura (orgánica, desechos sólidos, desechos químicos, desechos de hospitales, desechos industriales, etc.) que produce la ciudadanía.10
La provincia de Galápagos esta amenazada por la contaminación; Debido a la falta de proyectos adecuados para el tratamiento de la basura. Especialmente en la isla Santa Cruz.11
Se requiere apoyo del estado y de los gobiernos para procesar los desechos sólidos. A veces la basura se une a las corrientes de agua dulce y pone en peligro la salud de los habitantes.12
En el Distrito Metropolitano el manejo de los desechos sólidos pasa por siete problemas. Tales como:13
-
La basura es dejada sobre la vía pública por la ciudadanía, sin colocarla en fundas plásticas.
9
-
Los desperdicios son arrojados en las calles o quebradas.
-
Los comerciantes ambulantes dejan la basura en las esquinas.
Manual de reciclaje de plásticos, Corporación OIKOS/USAID2004, pág. 8 www.lahora.com.ec/noticiacompleta.asp. Ibíd. 10. 12 www.ambiente.gov.ec/AMBIENTE/legislación/docs/libroVII_TV.htm 13 Ibíd. 12. pág. 3 10 11
4
-
Los vehículos recolectores de EMASEO en su mayor parte ya han cumplido con su ciclo de servicio o vida útil.
-
Los vehículos de las empresas contratistas no son lo bastante adecuados para transportar los desperdicios.
-
Estas empresas contratistas tienen pocos vehículos para la recolección de basura.
-
El manejo de los desechos químicos, industriales y hospitalarios no tienen el debido tratamiento.
Los problemas mencionados, han generado que Quito se vea rezagado con respecto a otras ciudades del Ecuador.
Se calcula que por estas causas quedan sin recoger 300 toneladas diarias de desechos, no son aprovechados en proyectos de reciclaje, compostaje o para la generación de energía. Finalmente son eliminados en el botadero de la ciudad.
Un caso muy especial es el municipio de Loja que tiene una posición muy avanzada en todo lo que es manejo de los desechos sólidos. Este manejo integral tiene tres pasos, el primer paso es la clasificación domiciliaria de los desechos sólidos en biodegradable y no biodegradable. Los dos siguientes pasos son la valoración de los desechos en la planta de lombricultura o planta de reciclaje y la disposición final en el relleno sanitario de la ciudad.14
El
programa
de
clasificación
domiciliaria
ya
se
ejecuta
desde
1998,
expandiéndose sucesivamente. Ahora abarca más del 80% de la ciudad de Loja.
El análisis repetido de la basura muestra que la mayoría de los lojanos cumplen muy bien con este sistema, más del 90% de los desechos se clasifican de acuerdo con los requerimientos. El objetivo es extender la clasificación a la ciudad entera así como mantener la calidad de la misma a través de capacitación y monitoreo.15
14 15
www.municipiodeloja.gov.ec. Ibíd. 14. Pág. 2
5
El reciclaje de los desechos no biodegradables es otro componente importante de la gerencia integral de los desechos sólidos, a fin de mejorar las condiciones laborales de los recicladores lojanos, el municipio ha construido una planta de reciclaje sobre el relleno sanitario. La planta de clasificación de desechos está equipada con una prensa hidráulica, lavadoras de plástico y vidrio. Posee un equipo adecuado para la clasificación del material reciclable. La planta de reciclado esta operando desde marzo del 2004. Actualmente trabajan obreros municipales y recicladores paralelamente, se espera desplazar a los empleados recicladores a mediano plazo.16
Se ha introducido también la recolección y disposición diferenciada de los desechos peligrosos generados en los hospitales y otros centros de salud.17
El municipio cuenta con un vehículo especial para esta tarea y ha construido dos celdas de seguridad separadas. Y ha realizado una capacitación intensiva de todo el personal municipal involucrado.18
FUENTE: www.municipiodeloja.gov.ec.
Figura 1.1 Planta de clasificación de desechos
En las demás provincias que posee el país cruzan problemas ya conocidos por la ciudadanía en general, como son:19
16
Ibíd. 14. Pág. 2 Ibíd. 14. Pág. 3 18 Ibíd. 14. Pág. 3 19 www.ded.org.ec/essapa30.htm 17
6
-
Los vehículos recolectores son obsoletos.
-
La mala disposición de los ciudadanos de no saber colocar los desechos en lugares apropiados.
-
Carencia de recursos económicos en los diferentes municipios.
-
No se cuenta con planes y programas de recolección de basura
-
La indebida educación y comunicación por parte de los municipios hacia la ciudadanía.
1.3.1 PORCENTAJES DE DESECHOS EN EL ECUADOR.
Según estadísticas de EMASEO, establecidas en el mes de noviembre del año 2004 se produjo en el Distrito Metropolitano de Quito 1.400 toneladas diarias de desechos sólidos en la zona norte y la zona sur respectivamente. La misma que sería dividida en cinco grupos con sus respectivos porcentajes. .20
40% Plástico. 25% Papel. 15% Desechos orgánicos. 10% Desechos metálicos y 10% Basura.
También se estableció que en el Ecuador por día, cada persona produce 0,72 Kg. de desechos
1.4 DESECHOS SÓLIDOS.
Es lo que se deja de usar, lo que no sirve, lo que resulta de la descomposición o destrucción de una cosa, lo que se bota o se abandona por inservible.21
20 21
Folleto Fundación Natura 3R/2005. pág. 4. Folleto Fundación Natura 3R/2005. pág. 5
7
También se consideran aquellas substancias gaseosas dañinas y contaminantes del medio ambiente y de todas las diversas formas de vida.
La acumulación de residuos domésticos sólidos constituye hoy en día un problema agobiarte. El aumento de la población, junto al desarrollo del proceso de urbanización y la demanda creciente de bienes de consumo, intensidad de la propaganda y publicidad, determina un aumento incesante del peso y volumen de los desechos producidos, tales como plástico, papel, basura orgánica, metal, etc.22
1.4.1 PROCESO DE RECUPERACIÓN DE RECURSOS.
La recuperación de recursos consiste en la reducción doméstica de los residuos sólidos mediante un proceso que incluye la recuperación de energía, los residuos sólidos serían la materia prima del proceso y la recuperación de la energía será el producto primario.
Los materiales recolectados deben prepararse para el mercado. La preparación dependerá del tipo y volumen del material recolectado, de acuerdo a la demanda existente en el mercado para cada material.23
1.4.2 PROCESAMIENTO DE RESIDUOS.
Son tecnologías que se aplican para la reducción del volumen de desechos, tales como:24
22
-
Triturado o corte del desecho.
-
Fabricación de productos nuevos utilizando el material desechado.
-
Obtención de materia prima a base del desecho.
-
Bajo costo de la materia prima para la producción de productos nuevos.
Ibíd. 21, pág. 6 Ibíd. 22, pág.6 24 ARMANDO DEFFIS, la basura es la solución. pág. 17 23
8
1.4.3 REUTILIZACIÓN.
La reutilización es impedir que los residuos producidos se desperdicien e intentar emplearlos como materia prima en la producción, después de una etapa de preparación.25
1.5 PROCESO DE RECICLAJE.
Se definirá bajo tres conceptos:26
Reciclar.- Volver ha utilizar los desechos para que formen parte de nuevos productos similares.
Reciclaje.- La separación de los desechos como papel, plástico, vidrio, metales y otros para que pueda ser utilizado como materia prima.
Reciclables.- Son los materiales de desechos que pueden entrar en el proceso de reciclaje.
1.5.1 EL OBJETIVO DE RECICLAR.
El objetivo principal es la disposición o eliminación de los desechos, sin descuidar los aspectos higiénicos y de salud.27
La eliminación de la basura se optimiza con la reducción, la reutilización y el reciclaje de los residuos que a su vez significa un efectivo resguardo de los recursos naturales, mediante un aprovechamiento de los desechos como materia prima para procesos productivos.28
25
Ibíd. 21, pág. 7 Ibíd. 21, pág. 13 27 Ibíd. 21, pág. 13 28 Ibíd. 21, pág. 22 26
9
1.5.2 EL REAPROVECHAMIENTO EN EL RECICLAJE.
Es la capacidad de devolver los desechos o materiales al comercio, Debe haber un mercado para estos materiales para que tenga lugar el reciclaje. El reciclaje no mantiene a un material fuera de la masa de residuos en forma definitiva, sino que pospone el día en el que el mismo ingresa en la masa de residuos, y en última instancia reduce la cantidad de residuos, en virtud de que los materiales son utilizados más de una vez antes de su disposición.29
1.6 BENEFICIOS DEL RECICLAJE.
La recuperación de los materiales de desecho para el reciclaje ofrece beneficios tanto en el orden ecológico como económico y social, brindando una nueva fuente de materias primas y disminuyendo el volumen de residuos a los que hay que darle una disposición final adecuada, minimizando el impacto ambiental que de por si producen los residuos.30
1.6.1 VENTAJAS QUE PROPORCIONA EL RECICLAJE.
-
Reduce la cantidad de basura (cerca del 90% de lo que ingresa a los hogares sale como desecho).
-
Ahorra energía
(La necesaria para producir una tonelada de aluminio
reciclado a partir de latas de soda es solo el 5% de la energía empleada para extraer y procesar el metal de la mina). -
Ahorra recursos naturales (Casi la mitad del hierro que se utiliza en la fabricación mundial de acero se obtiene de la chatarra, por esa vía se logra el ahorro del 75% del agua que se hubiera usado para obtener el mineral de la mina).
29 30
Ibíd. 21, pág. 24 www,repamar.org/search.php
10
-
Produce ahorro de dinero (En general el material reciclado es más económico).
-
Genera nuevos empleos (Según una encuesta en EEUU, por cada millón de tonelada de desechos que se recicle se crean 2.000 nuevos puestos de trabajo).
-
Protege el medio ambiente.
-
Evita la formación de nuevos basureros.
-
Colabora con la recuperación de los suelos (en forma de abono).
-
Elimina la generación de contaminantes del aire (gases y malos olores).
-
Impide la proliferación de plagas y roedores.
-
Ayuda a preservar los bosques.
-
Protege las aguas superficiales y las aguas subterráneas.31
1.7 ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN.
El mayor problema es persuadir a la ciudadanía que el reciclaje es beneficioso, pero para instalar esta costumbre requerirá de la superación de algunos obstáculos como son: el inconveniente que trae la separación de los residuos en el hogar. En muchas ocasiones las personas en general reaccionan con quejas respecto a que el reciclaje implica mucho tiempo y por otro lado que es un proceso sucio.
Para que el programa de reciclaje de resultados se debe tratar de minimizar los inconvenientes que puedan aparecer y dar mayor énfasis a los beneficios positivos que otorga el reciclaje.32
31 32
www.ded.org.ec/essapa29.htm BAER, Eric: pág. 157
11
1.8 COMERCIALIZACIÓN Y ADQUISICIÓN.
La venta de los materiales recuperados tiene sus inconvenientes ya que no todos tienen un mercado.
La adquisición, se refiere a la demanda de productos elaborados con materiales reciclados. Es necesario que el gobierno implemente políticas orientadas a generar un mercado para estos materiales.33
1.9 EL PLÁSTICO.
El plástico es un material logrado en laboratorio mediante transformación sintética del carbono. Pero también del hidrógeno, nitrógeno y oxigeno en combinación con otros elementos que se obtienen del petróleo.34
Pueden ser conformados en una amplia variedad de productos, como envases para gaseosas, cosméticos, alimentos, auto partes, partes moldeadas, secciones extraídas, hojas y películas, recubrimientos aislantes, para alambres eléctricos, y fibras para textiles, etc. Además los plásticos son frecuentemente el ingrediente principal de otros materiales como pinturas, barnices, y varios compuestos con matriz de polímero.35
Las aplicaciones de los plásticos se han incrementado mucho más rápidamente que para los metales o los cerámicos durante los últimos 50 años.
En realidad muchas partes hechas anteriormente de metal se hacen ahora de plástico. Lo mismo sucede con el vidrio; Los recipientes plásticos han sustituido en gran parte a los vidrio, para el envasado de productos.36
33
Ibíd. 32, BOVEY, Frank: Química de los plásticos, pág.16 35 Ibíd. 34, pág. 17 36 BOVEY, Frank: Química de los plásticos, pág.17 34
12
Los plásticos tienen varias ventajas; Por ejemplo
-
Protegen los alimentos.
-
Permiten ver a través de ellos sin tocarlos.
-
Permiten empacar al vacío.
-
Mantienen productos en buen estado por más tiempo.
-
Reduce el desperdicio de alimentos.
-
Reduce el peso de los empaques.
El plástico biodegradable tarda en degradarse 25 años, los plásticos de alta densidad tardan en descomponerse en un tiempo promedio de 500 años, por está razón se convierte en un producto altamente contaminante, más aun si se tiene en cuenta que los plásticos al incinerarlo producen gases venenosos. 37
El 90% del plástico es reciclable y podemos encontrarlo en numerosas formas y representaciones. Sin embargo, debido a su gran variedad, es difícil su clasificación.38
1.9.1 IDENTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN DEL TIPO DE PLÁSTICO.
Está clasificación ha sido desarrollada por The Society of the Plastic Inc. (SPI) en los Estados Unidos y adoptado en varios países latinoamericanos y europeos.
Este sistema permite la identificación de los siete materiales plásticos más comunes.
El símbolo de identificación se compone de tres flechas que forman un triángulo con un número, que representa el tipo de material. En el centro, ubicado normalmente en el fondo de los envases.39
37
Ibíd. 36, pág. 18. Ibíd. 36. Pág. 18. 39 BOVEY, Frank: Química de los plásticos, pág.19 38
13
Figura 1.2 Símbolo de identificación del plástico.
Es por está razón que se
han acordado símbolos para su identificación que
apenas comienzan a generalizarse en nuestro país.
Los siguientes son los símbolos que se encuentran en los diferentes productos elaborados con materias plásticas.
-
Polietileno Tereftalato (PET) 1.
-
Polietileno Alta Densidad (PEAD) 2.
-
Cloruro de Polivinilo (PVC) 3.
-
Polietileno Baja Densidad (PEBD) 4.
-
Polipropileno (PP) 5.
-
Poli-estireno (PS) 6.
-
Otros Plásticos (OTHER) 7.
1.9.1.1 Problemas en la identificación y codificación del plástico.
Si bien el uso de los materiales plásticos tiene innumerables ventajas, a la hora de hablar de reciclaje se encuentra con una serie de dificultades, ya que el 67% de los residuos plásticos son películas, films, bolsas, en general en los cuales se hallan mezclados PEAD, PEBD y PP. Respecto al 33% restante, correspondiente a los plásticos rígidos, y más del 70% no posee identificación debido a que el
14
sistema de codificación no ha sido implementado por la mayoría de los fabricantes de productos plásticos.40
1.9.2 CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE LOS SÍMBOLOS PLÁSTICOS.
De acuerdo al tipo de plástico y producto a fabricar, el plástico tiene diferentes aplicaciones y características.
1.9.2.1 Polietileno tereftalato (PET) 1.
Este tipo de plástico es transparente y resistente. Sus usos son muy variados, desde envases hasta textiles.41
-
Envases de bebidas carbonatadas.
-
Goma de almohada y cojines.
-
Sleeping bags.
-
Fibras textiles.
1.9.2.2 Polietileno alta densidad (PEAD) 2.
Este material es incoloro, opaco, tonos transparentes y opacados. Alta rigidez, estabilidad dimensional, dureza superficial, esterilizada. Estable frente a ácidos, álcalis y alcohol.
Atacado por hidrocarburos clorados, benzol, benzina y carburante. Se los puede utilizar en:42
40
Envases para detergentes, lavandina, aceite para automotores.
Ibíd. 39, pág. 20 Ibíd. 39 pág. 21 42 Ibíd. 39, pág.22 41
15
-
Shampoo.
-
Lácteos.
-
Cajones para gaseosas.
-
Baldes para pintura.
-
Macetas.
1.9.2.3 Cloruro de polivinilo (PVC) 3.
Este material puede procesarse de modo que sea claro, rígido y duro ó claro flexible y resistente.
Existen dos tipos de Cloruro de Polivinilo o PVC.43
-
PVC Rígido.
-
PVC Flexible.
1.9.2.3.1 Pvc rígido.
Polvo fino o granza, colores transparentes y opacos, buena resistencia, dureza y tenacidad, resistencia a la corrosión, difícilmente combustible, estable frente a ácidos y álcalis, alcohol, benzina, aceites y grasa. Atacado por éter, cetona, hidrocarburos clorados, benzol y carburantes.44
1.9.2.3.2 Pvc flexible.
Plaquetas cilíndricas o cubos incoloros o coloreados, transparentes y opacos. Muy elástico, estable frente a ácidos, álcalis débiles. Atacado por alcohol, éter, cetonas, hidrocarburos clorados, benzol, bencina y carburantes.45 43
Ibíd. 39, pág. 22 Ibíd. 39, pág. 23 45 Ibíd. 39, pág. 24 44
16
Se los encuentra en:
-
Suela de zapatos.
-
Conductores eléctricos.
-
Tubos.
-
Envases de limpiadores.
-
Envases para agua mineral, aceites, jugos, mayonesas.
-
Juguetes.
-
Mangueras.
-
Caños para desagües domiciliarias y redes.
1.9.2.4 Polietileno de baja densidad (PEBD) 4.
Este material es incoloro, opaco y en todos los tonos, transparente y opaco. Alta flexibilidad, baja dureza superficial, superficie cerosa, estable frente a ácidos, álcalis y alcohol. Atacado por hidrocarburos clorados, bencina, benzol y carburantes.
Sus usos pueden ser:46
-
Contenedores herméticos domésticos.
-
Tubos y pomos para cosméticos, medicamentos y alimentos.
-
Agitadores y sorbetes.
-
Bolsas de basura.
-
Bolsas para cubiertos plásticos.
1.9.2.5 Polipropileno (PP) 5.
Gránulos incoloros, opacados y teñidos transparentes y obscuros.
46
Ibíd. 39, pág. 24
17
Posee una alta resistencia al impacto y la tracción, a la vez es flexible, puede ser rígido y transluciente, dureza superficial, esterilizante desde 120 a 130 grados centígrados.47
Se presta para una gran variedad, tales como:
-
Pañales desechables.
-
Productos de belleza.
-
Bolsas para patatas.
-
Bolsas para microondas.
-
Caños para agua caliente.
-
Jeringas descartables.
-
Tapas en general.
-
Cajas de baterías.
-
Parachoques de automotores.
-
Auto partes.
1.9.2.6 Poli-estireno (PS) 6.
Corresponde a los materiales hechos de poli-estireno (PS). Este plástico es transparente u opaco, según sea procesado es muy versátil e imita al cristal. Se emplea en la fabricación de diferentes envases utilizados para servir alimentos y en materiales para proteger equipos delicados.48
Sus aplicaciones más comunes son:
47 48
-
potes para lácteos de yogurt, postres, etc.
-
Potes para helados y dulces.
-
Descartables para restaurantes (platos, cubiertos, bandejas, etc.).
-
Juguetes.
Ibíd. 39, pág. 25 Ibíd. 39 pág. 26
18
-
Aislantes.
-
Planchas de PS espumado.
1.9.2.7 Otros plásticos (OTHER) 7.
Generalmente no son reciclables, son resinas de diferentes tipos como ABS, PC productos co-estruidos, co-polímeros.49
1.10
CONSIDERACIONES
PARA
LA
UTILIZACIÓN
DEL
PLÁSTICO
RECICLADO.
-
Los plásticos reciclados no pueden ser utilizados para fabricar envases similares, como es el caso del aluminio y el vidrio.
-
El plástico reciclado no es apto para su reutilización en envases reciclados para la industria de alimentos, según la FDA.
-
Los plásticos reciclables son utilizados en la manufactura de otros productos tales como: Fibras para alfombras, material de empaque y relleno, esponjas plástica, transversales para las vías de los trenes y textiles.
-
El problema se agrava ante la situación de los escasos mercados locales para la compra y la reutilización de plásticos reciclables.
-
No es posible obtener una mezcla homogénea de plástico a partir de una mezcla ternaria de materiales.
-
Los productos que intenten fabricarse con ellos no podrán cumplir con ninguna exigencia de calidad.
-
Las impurezas que suelen contener los residuos deben evitarse o eliminarse, ya que son cuerpos extraños que pueden reducir la calidad del producto final.50
49 50
Ibíd. 39, pág. 26 Ibíd. 39, pág. 27
19
1.11 APROVECHAMIENTO DE LOS RECURSOS PLÁSTICOS.
La reciclabilidad de los recursos plásticos depende del tipo de plástico. Los plásticos pueden recuperarse por medio del molino o triturador y luego por la fusión.
Los residuos deben ser en lo posible de una sola clase y medida, para que los productos tengan propiedades similares a los fabricados con materia virgen.51
Cuando se intenta fundir una mezcla de plástico, algunos son descompuestos por la temperatura empleada, mientras que otros solo se reblandecen.52
Los mejores resultados del reciclado de termoplásticos se obtienen cuando los residuos a reutilizar son de una misma clase, es decir contienen el mismo tipo de plástico, los mismos aditivos y las mismas cargas. Además el residuo debe estar libre de impurezas para obtener productos reciclados de buena calidad.53
1.11.1 TRITURACIÓN DE LOS RECURSOS PLÁSTICOS INDUSTRIALES.
El corte de los residuos plásticos es el que está más ampliamente desarrollado. Sin embargo, las posibilidades dependen en gran medida de lo elevada que sea la proporción de un tipo especial de plástico en la recolección de residuos. La trituración de los residuos de producción está muy extendida. Tiene lugar en los propios lugares de producción o a través de empresas especializadas en la trituración. Como los residuos se recogen ya clasificados y sin contaminación, solo es necesario triturarlos para obtener material nuevo apto para transformarlo.54
51
DEFFIS, Armando: La basura es la solución, pág, 15 Ibíd. 51. 53 Ibíd. 51 54 Ibíd. 51, pág. 16 52
20
1.11.2 PROCESO DE TRITURACIÓN DEL PLÁSTICO.
La trituración empezó a desarrollarse en los años 70, cuando algunos países comenzaron a incinerar los residuos plásticos.55
El proceso más común consiste en la separación, limpieza y peletizado.
Separación.- La separación se la puede efectuar por métodos manuales y por sistemas automatizados.
Los métodos de separación pueden ser clasificados en separación macro y micro molecular.
La macro separación.-
Se la realiza sobre el producto completo usando el
reconocimiento óptico del color o de la forma, también se la efectuar por la codificación de números. La separación manual se incluye dentro de está categoría.
La micro separación.- Puede hacerse por una separación física basada en el tamaño, peso, densidad, etc.
Separación molecular.- Es el proceso del plástico por disolución del mismo. Los disolventes más eficaces son aquellos cuya composición química es similar a la del plástico a disolver. Y luego separar los plásticos basados en la temperatura.
Limpieza.- Los plásticos separados están generalmente contaminados con comida, papel, piedras, polvo, pegamentos, etc. De ahí que tienen que ser primero limpiados para ser cortado, y luego lavar este material triturado en un baño con detergente.
Peletizado.- El material limpio y seco puede ser vendido o puede convertirse en pellet, para esto el granulado debe fundirse y pasarse a través de un tubo para 55
Ibíd. 51
21
tomar la forma de espagueti al enfriarse en un baño de agua, una vez frió es cortado en pedacitos llamados pellets.56
1.12 IMPORTANCIA DE LOS MOLINOS TRITURADORES DE PLÁSTICO.
No
toda la producción de productos plásticos en la industria dedicados a la
fabricación de muchos artículos, que tienen como base principal el plástico, ocupan el mercado.
La mayoría de artículos nuevos cruzan por algunos problemas de calidad siendo los más importantes y los que afectan en su aspecto y calidad.
-
Desigualdad de espesor del material en las paredes que los forman.
-
Mala formación en el instante de ser termo-formados.
-
No todos tienen las mismas características físicas y buena apariencia.
Por estas razones las empresas productoras de artículos plásticos o que se dedican al reciclaje de los mismos, recurren a dar una solución a este problema de desperdicio de materia prima.
Han optado por volver a reprocesarlo triturándolo o moliéndolo para que este material vuelva a ser utilizado como base principal para la fabricación de otros nuevos productos, que de acuerdo a controles de calidad ocuparan el mercado consumista.
La labor de los trituradores o molinos para plástico es el de cortar el material en pequeñas partículas que facilitan el manejo y la fundición del mismo, ya que un desecho plástico ocupa gran volumen, menos maniobrabilidad, mayor cantidad de energía para volver a fundirlo, mayor tiempo para fundirse completamente. El plástico triturado ofrece o proporciona algunas ventajas a las empresas y la sociedad, tales como: 56
Ibíd. 51 pág, 17
22
En las empresas.
-
Reducción de espacios en la planta.
-
Reaprovechamiento del material desperdiciado.
-
Reducción de gastos en materia prima.
En la sociedad.
-
Nuevas fuentes de trabajo.
-
Abaratamiento de materia prima.
-
Menos contaminación para el medio ambiente.
-
Reaprovechamiento de recursos.
En la actualidad existen diferentes tipos de molinos trituradores, que las industrias han optado para reprocesar el desecho interno o externo.
La mayoría de los trituradores funcionan con cuchillas de corte, siendo similares en su función principal, diferenciándose únicamente entre ellos por la capacidad de corte y en algunos casos especiales por el tipo de material a triturar.
23
CAPITULO II
PARÁMETROS, ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.
La agobiante cantidad de desechos sólidos, (1,400 toneladas diarias de desperdicios) que produce el Distrito Metropolitano de Quito, de los cuales el 40% pertenece a la clasificación general de plásticos (560 toneladas por día), mientras que el 15% (84 toneladas diarias) se encuentran elaborados con materia prima PET, que se puede reciclar en su totalidad, el mismo que en gran cantidad no es aprovechado, sino es ubicado en los botaderos de la ciudad. 1
Con el molino triturador se reutilizaran estos residuos plásticos, para la fabricación de productos nuevos.
Generando de esta manera varios beneficios sociales tales como:
-
Ahorro de materiales vírgenes.
-
Descontaminación del medio ambiente.
-
Fuentes de trabajo.
-
Aumento de ingresos económicos.
-
Obtención de materia prima a bajo costo.
2.1.1 RESTRICCIÓN Y LIMITACIÓN.
Una de las mayores restricciones para el diseño y construcción de un molino triturador para plástico es la cantidad de desperdicios, (84 toneladas por día ) que 1
Folleto Fundación Natura 3R/2005. pág. 4.
24
son fabricados con PET como materia prima en la elaboración de productos reciclables tales como: botellas desechables de bebidas gaseosas, agua destilada, agua purificada, y otros líquidos no aceitosos
2.2 PARÁMETROS DE DISEÑO.
En el proceso del diseño de la máquina, es importante el conocimiento de los materiales que va a utilizar, por cuanto posibilita seleccionar o especificar la máquina idónea para realizar el trabajo con la finalidad de diseñar el modelo más conveniente para su construcción tomando en cuenta los siguientes criterios y necesidades de los operarios.
-
Costo de fabricación.
-
Seguridad de operación.
-
Costo de afilado de las cuchillas.
-
Facilidad de mantenimiento.
-
Cumplir con la necesidad del cliente.
-
Aspecto de la máquina.
-
Funcionalidad.
-
Ergonomía de la máquina.
-
Consumo de energía.
El objetivo primordial para realizar esta máquina es el de poder facilitar a las personas su adquisición y a su vez dar mayor facilidad de mantenimiento.
Para obtener como elección única la máquina que se desea diseñar y construir, enseguida se efectúa un análisis de acuerdo a los factores que difieren para la respectiva calificación.
25
2.2.1 COSTO DE FABRICACIÓN.
Para obtener un precio de aceptación en el mercado local, es decir que el costo de la máquina no sea elevado y debe estar acorde con la economía del país, se debe utilizar todas las normas y técnicas de mano de obra existente en nuestro país como son: técnicas de soldadura, torneado, fresado, tratamientos de aceros y la respectiva utilización de materiales e insumos que se pueden encontrar en el mercado local por medio de la selección de catálogos.
También se debe considerar la calidad de fabricación que consiste en controlar después de cada proceso de fabricación la calidad para evitar problemas postensamblaje y pérdidas de tiempo en el armado final.
2.2.2 SEGURIDAD DE OPERACIÓN.
Las normas de uso establecen que cuando una máquina este en funcionamiento no debe apoyarse o introducir las manos dentro de ella. Entonces; acatando como regla principal de seguridad, la máquina cuando este en funcionamiento y en contacto con el operador esta no debe ocasionar daño o riesgo al mismo con partes móviles y si las tiene deben estar completamente protegidas para que el operador no tenga contacto directo.
2.2.3 FACILIDAD DE MANTENIMIENTO.
Al considerar el diseño se debe garantizar un manual de mantenimiento en la que todos los repuestos y accesorios sean de fácil reemplazo y adquisición en el mercado, ya que esto influye directamente en la vida útil y costo de la máquina.
Para su respectivo engrase de rodamientos se debe recomendar en lo posible grasas que existan en el mercado.
26
En el instante de que la máquina necesite de ciertas partes que tiendan a desgastarse debe prestar toda la facilidad para el cambio y uso de herramientas existentes en el mercado.
2.2.4 CUMPLIR CON LA NECESIDAD DEL CLIENTE.
Cuando la máquina este lista para ser operada por una persona no debe presentar ciertas molestias como incomodidad para alimentar la tolva, para retirar el material cortado, facilidad de encendido y apagado.
También debe estar acorde al volumen que posea el material que se va ha trabajar y a la ubicación de la planta.
Y al realizar la máquina el trabajo de triturado debe estar
acorde a las
necesidades, en tiempo de horas de trabajo y capacidad de producción.
2.2.5 ASPECTO DE LA MÁQUINA.
Es muy importante, ya que su estética y acabado de construcción influye para su aceptación en el mercado local.
2.2.6 ERGONOMÍA DE LA MÁQUINA.
El objetivo de este ámbito son los consumidores, usuarios y las características del contexto en el cual el producto es usado. El estudio de los factores ergonómicos en los productos, busca crear o adaptar productos y elementos de uso cotidiano o específico de manera que se adapten a las características de las personas que los van a usar. Es decir la ergonomía es transversal, pero no a todos los productos, sino a los usuarios de dicho producto.
27
El diseño ergonómico de productos trata de buscar que éstos sean: eficientes en su uso, seguros, que contribuyan a mejorar la productividad sin generar patologías en las personas, que en la configuración de su forma indiquen su modo de uso, etc.2
El diseño ergonómico del puesto de trabajo debe tener en cuenta las características antropométricas de la población, la adaptación del espacio, las posturas de trabajo, el espacio libre, la interferencia de las partes del cuerpo, el campo visual, la fuerza del trabajador y el estrés biomecánico, entre otros aspectos. Los aspectos organizativos de la tarea también son tomados en cuenta.3 Considerando el contexto sobre ergonomía para el diseño o fabricación de un producto o máquina se establece la altura del molino triturador de botellas plásticas. La respectiva altura es obtenida con las estaturas más comunes en nuestro medio laboral, para luego efectuar una media aritmética y así obtener la altura que permita la adecuada operación; Por el operario sin producirle ningún tipo de molestias o lesiones. Tabla 2.1 Promedio de estaturas.
MUESTRA
ESTATURA (cm.)
Muestra 1.
160
Muestra 2.
165
Muestra 3.
170
Muestra 4.
175
Promedio.
167.5
FUENTE: Los autores.
2 3
http://es.wikipedia.org/wiki/Ergonom%C3%ADa, Pág. 2 Ibíd. 2 , Pág. 5
28
El promedio de estaturas es igual a un metro con sesenta y ocho centímetros, si se considera que la altura ideal de trabajo de un hombre en pie de esta estatura es el nivel del codo flexionado se establece que la altura del molino debe ser entre 90 y 100 centímetros para una mejor operación laboral.
2.2.7 FUNCIONALIDAD.
La máquina tendrá un alto grado de seguridad en su maniobrabilidad y funcionalidad, debido al riesgo que puede sufrir el operador, si no tiene el debido cuidado, por lo tanto se debe dar a conocer al usuario las normas de uso del mecanismo para que se pueda establecer que sea fiable y digna de confianza en el instante de ser operada.
Además se debe tener en cuenta la capacidad de trabajo, para no exceder en rangos mayores o menores para la cual esta diseñado el molino triturador, y debe ser utilizada específicamente para el trabajo indicado.
2.3 PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS.
En la actualidad existen diferentes tipos de molinos trituradores para plástico, que van clasificados por su diseño, funcionamiento, de acuerdo al tipo de material a triturar y capacidad de producción del material cortado.
Para la elaboración del presente proyecto se expone tres tipos de trituradores que son considerados los más sencillos, comunes, económicos y similares en sus características técnicas, para la trituración de plástico.
-
Triturador de 2 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas.
-
Triturador de 3 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas.
-
Triturador de 6 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas.
29
2.3.1 ALTERNATIVA 1 (Triturador con un eje rotor de 2 aletas con 2 cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas).
Para el presente estudio se designa como la alternativa 1 a:
El molino triturador de dos cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas.
Figura 2.1 Triturador con un eje rotor de 2 aletas con 2 cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas
Este tipo de molino o triturador esta compuesto por un eje porta cuchillas que tiene dos aletas, que ayudan al arrastre del material para ser triturado. En los extremos del eje se encuentran las cuchillas móviles que son sujetas por medio de pernos. Está fabricado en acero.
En la cámara de trituración se ubican las cuchillas fijas que van empernadas en la parte frontal y posterior, también se encuentran los orificios para la fijación de los
30
rodamientos de pared que sujetan al eje rotor de una manera flotante. Mientras que en la parte inferior se encuentra el tamiz o malla de sernimiento. Está construida en acero con perforaciones que facilitan el desalojo del material cortado.
La estructura o cuerpo esta hecho de acero en donde se monta el motor eléctrico para su accionamiento.
Tiene una producción de 10 kg / h
Ventajas.
-
Fácil mantenimiento.
-
Facilidad en su transportación.
-
Seguridad de accidentes para el operador.
-
Bajo consumo de energía para su funcionamiento.
-
Facilidad de operación.
-
Bajo costo de mantenimiento en el afilado de las cuchillas.
-
Facilidad de adquisición de las cuchillas de corte en el mercado local.
Desventajas.
-
Produce ruido durante la acción de corte o triturado de plástico.
-
Dificultad en la construcción del eje rotor.
2.3.2 ALTERNATIVA 2 (Triturador con un eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas).
En la figura (2.2) se establece como la alternativa 2 al molino triturador de tres cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas con todos sus elementos.
31
Figura 2.2 Triturador con un eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias y dos cuchillas fijas
El eje rotor de esté tipo de triturador es de forma cilíndrica; Las cuchillas móviles se insertan en una ranura y son asegurados con tres prisioneros. Su fabricación se la realiza por medio de mecanizado y arranque de viruta, está fabricado en acero.
La cámara de molienda esta fabricada con placas de acero de un cuarto de espesor, Además la cámara de molienda forma parte del cuerpo o estructura del molino. Dentro de la cámara se encuentran las cuchillas fijas que son dos.
El tamiz es la placa de cernido, posee perforaciones en toda el área y permite la evacuación del material cortado está sujeto por medio de pernos a la cámara de trituración.
32
El motor eléctrico está colocado con pernos a un costado de la estructura que es de acero electro soldado. 4
Tiene una capacidad de producción de 10 kg / h
Ventajas.
-
Bajo costo de fabricación.
-
Facilidad de operación.
-
Por su simplicidad es de fácil y económico mantenimiento.
-
Seguridad de accidentes para el operador en el instante de su funcionamiento.
-
Facilidad y comodidad para el operador en el instante de alimentar la tolva.
Desventajas.
4
-
En el instante de cambio de cuchillas se debe retirar la tolva.
-
Produce ruido durante la acción de corte o triturado de plástico.
-
Dificultad de conseguir en el mercado local las cuchillas de corte.
www.uam.com.mex.
33
2.3.3 ALTERNATIVA 3 (Triturador con rodillos de prensado, con un eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas).
Por último la alternativa 3 Triturador con rodillos de prensado, con un eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas
Figura 2.3 Triturador con rodillos de prensado, con un eje rotor cilíndrico con 2 cuchillas giratorias y 2 cuchillas fijas
Este tipo de triturador está construido en dos partes:
-
La tolva, los rodillos de prensado, la cámara de trituración, el eje porta cuchillas y las cuchillas fijas forman un solo cuerpo.
-
Mientras que el tamiz, el apoyo del motor eléctrico y el orificio de descarga se encuentran formando la base.
El eje porta cuchillas es de forma circular cada 180 grados se insertan las cuchillas para el corte del material, esta construido en acero mecanizado por arranque de viruta.
34
Los rodillos de prensado poseen revoluciones de giro de transmisión mucho menor que el eje rotor y los dos mecanismos reciben el movimiento del motor eléctrico.
La cámara está elaborada en hierro fundido donde se colocan las cuchillas fijas por medio de pernos.
La base que contiene el motor eléctrico, y sostiene el tamiz que está construido en acero electro soldado.
Este tipo de triturador tiene una capacidad de producción de 10 kg / h5
Ventajas.
-
El material a triturar es prensado por la misma máquina.
-
Facilidad de operación por parte del operador.
-
Seguridad de operación para el operador durante su funcionamiento.
Desventajas.
5
-
Elevado costo para su fabricación.
-
Mayor peso, por lo cual dificulta su transportación.
-
Alto costo de mantenimiento.
-
Produce ruido durante la acción de corte o triturado de plástico.
www.isve.com/sp/tritotuto-25-66htm.
35
2.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA MÁS VIABLE.
En la tabla 2.2 se realiza la comparación de los parámetros de diseño, los mismos que multiplicados por un factor de ponderación, ayudan a obtener un resultado real de los parámetros que influyen para la elección del triturador más adecuado, entre las tres alternativas.
El valor de los factores de ponderación se califica de acuerdo a la importancia de cada uno de los parámetros, resultados obtenidos por encuestas.
Tabla 2.2 Calificación de alternativas.
ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3
PARÁMETROS
Factores de Calific. Valor Pondera.
Calific.
Valor
Calific.
Valor
Costo de fabricación.
0.2
9
1.8
9
1.8
8
1.6
Facilidad de operación.
0.15
10
1.5
10
1.5
10
1.5
Seguridad de operación. 0.2
10
2.0
10
2.0
10
2.0
Costo de afilado. de las cuchillas
0.1
10
1.0
10
1. 0
8
0.8
Facilidad de mant.
0.15
10
1.5
9
1.35
9
1.35
Aspecto de la máquina.
0.05
10
0.5
8
0.4
8
0.4
Capacidad de producción.
0.1
10
1.0
9
0.9
9
0.9
Consumo de energía para su funcionamiento.
0.05
10
0.5
10
0.5
10
0.5
1.0
9.8
FUENTE: Los autores
9.45
9.05
36
Al analizar cada parámetro que interviene en la calificación para la selección de la alternativa más viable, se considera los aspectos económicos, tiempo, estética, producción y seguridad. Siendo el más alto el que mayores beneficios y ventajas proporcione sobre cada una de las alternativas propuestas.
La evaluación numérica anterior que se da a cada factor que interviene en la calificación de las alternativas se considera con los puntajes de:
10 puntos ---------- Mayor beneficio o mayor ventaja. 9 puntos ---------- Beneficio medio o ventaja media. 8 puntos ---------- Bajo beneficio o baja ventaja.
Siendo la sumatoria de los puntajes el valor más alto el que otorgue mayor ventaja para la elección de la alternativa más viable. Donde se aplicarán las condiciones y necesidades básicas del diseño.
2.4.1 CONCLUSIÓN DE LA EVALUACIÓN.
Después de haber efectuado el análisis, se procede a la selección de la mejor alternativa, obteniendo como resultado al molino triturador de dos cuchillas giratorias y dos cuchillas móviles, con un total de 9.8 puntos, que es el más idóneo y aceptable para el diseño y construcción.
La alternativa seleccionada tendrá una capacidad de producción de 10 kg / h para un servicio diario de trabajo de 8 horas.
Se debe tomar muy en cuenta que dentro de nuestro medio, la máquina que se eligió no tenga problemas de elección de materiales y procesos de fabricación al ser utilizados en el maquinado y diseño para la construcción.
37
2.5 ESTUDIO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA. Después de escogida la alternativa más idónea, el proyecto se debe encaminar a la realización de un análisis que permita una profundización más amplia y detallada de la funcionalidad de este equipo.
El análisis se fundamenta en los siguientes términos:
-
Funcionamiento del molino triturador.
-
Materiales a ser utilizados en su construcción.
-
Aplicación de técnicas y normas de construcción.
-
Sistemas de fijación y unión de elementos.
Siendo factores que afectan directamente en la calidad, apariencia y normas de uso; Factores que son de importancia para la aceptación del proyecto.
2.5.1 FUNCIONAMIENTO DEL MOLINO TRITURADOR.
Es un proceso puramente mecánico y su funcionamiento general es el siguiente:
Al encender el molino triturador por medio del interruptor de ignición empieza a girar el motor eléctrico este movimiento es transmitido al eje porta cuchillas a través de poleas y correas de transmisión, girando así el eje que contiene las cuchillas móviles de corte.
La materia prima es introducida por la tolva que se encuentra en la parte superior del molino, cuando el material es presionado entre las cuchillas fijas y las cuchillas móviles se produce el corte. El plástico cortado se mantiene en la cámara de molido para seguir siendo arrastrado y cortado hasta alcanzar las dimensiones adecuadas para pasar por el tamiz que puede tener orificios desde 0,4 mm hasta 0,14 mm de diámetro. Esta malla se encuentra en la parte inferior del triturador que es la parte de descarga o fin del proceso.
38
Los tres tipos de trituradores mencionados anteriormente tienen el mismo principio de funcionamiento la única diferencia entre ellos es la forma y dimensiones del eje porta cuchillas, el número de cuchillas móviles, el aspecto físico en la estructura y la cantidad de producción por hora.
2.5.2 MATERIALES A SER UTILIZADOS EN SU CONSTRUCCIÓN.
Al encontrar en el mercado local una gran variedad de productos de acero de las normas ASTM, AISI, SAE, INEN y ASSAB tales como ejes redondos, ejes rectangulares, planchas de acero de espesores muy delgados hasta los más gruesos, perfiles estructurales en diferentes dimensiones, formas y espesores para la aplicación de acuerdo a la necesidad; Y partiendo como base al estudio de diseño y selección de elementos, todas las partes que forman el molino triturador están construidas en acero, variando para su utilización únicamente el tipo de material, espesor, calidad y norma de fabricación.
2.5.3 APLICACIÓN DE TÉCNICAS Y NORMAS DE CONSTRUCCIÓN.
Para dar configuración de acuerdo al diseño de cada elemento que conforman la máquina se utilizaran todas las técnicas de conformado para el acero ya sea por medio de arranque de viruta, esmerilado, perforado y pulido con el uso de maquinaria destinada al torneado, fresado y rectificado.
De igual manera se utilizarán las normas de fabricación INEN, normas de uso y normas de seguridad.
39
2.5.4 SISTEMAS DE FIJACIÓN Y UNIÓN DE ELEMENTOS.
El molino triturador consta de elementos que deben ser fijados entre sí por medio de elementos roscados es decir pernos y tuercas en el mercado local se encuentra una gran variedad de ellos bajo la norma SAE y con distintos grados de dureza, dan garantía y seguridad a los elementos que unen entre sí.
Los elementos que se encuentran unidos con pernos y tuercas son: Los rodamientos de pared, el tamiz, el protector de correas de transmisión, el motor eléctrico las cuchillas fijas y móviles.
El molino triturador también posee partes tales como las placas que forman la cámara de molienda y la estructura soporte, tienen que ser unidos entre sí para formar el elemento propiamente detallado.
La unión por soldadura por arco
eléctrico con electrodo revestido es una técnica segura, económica y proporciona una buena estética al producto terminado.
40
CAPITULO III
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO TRITURADOR
3.1 DISEÑO, CÁLCULO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS. Para dar principio al proceso de cálculo, diseño y selección de elementos que componen el molino triturador se determinan las dimensiones generales de acuerdo a condiciones de labor, después de un proceso de observación y el afán de cumplir con los requerimientos de los operarios de mejorar sustancialmente la productividad. La altura de trabajo, debe permitir la operación de una persona que trabaje en posición erguida, colocación que facilita la labor debido a condiciones ergonómicas tomando en consideración que el propósito de este proyecto es que el operario realice el mínimo esfuerzo en cada operación y de fácil mantenimiento. El molino triturador es una máquina que será ubicad a en un sitio específico de trabajo. Razón por la cual, favorece en la utilización de un motor eléctrico como el sistema principal de accionamiento mecánico, proporcionando ventajas tales como disminución de ruido, mayor economía en el uso de energía y bajo costo en su mantenimiento. La utilización de correas tipo V para la transmisión de fuerza y movimiento para la máquina es una opción de gran ventaja en el desarrollo del proyecto, ya que al usar una banda de transmisión se obtiene una mayor eficiencia, disminución de ruido y un bajo costo económico; En comparación con las transmisiones por cadena y piñones. De igual manera para el cálculo de ejes se obtendrá el material adecuado con su respectiva dureza para la fabricación del eje rotor.
41
La elección de rodamientos, chumaceras, cuchillas y pernos se fundamentará en el análisis de fuerzas, y la ayuda de manuales o catálogos. Para otros elementos que componen el triturador para plástico como son la estructura electrosoldada para el cuerpo y soporte del eje, la tolva de alimentación, el tamiz de cernimiento, se emplearán los respectivos centros de gravedad, fuerzas, parámetros de funcionamiento y de diseño para su construcción.
3.2 CÁLCULO DEL NÚMERO DE REVOLUCIONES PARA EL CORTE. El espesor comúnmente utilizado para la fabricación de los envases de PET es de 3mm, es por ello que la energía necesaria para provocar la fractura y ruptura total del material, definida como energía de impacto de la prueba Izod NIIE=0.285jse requiere una fuerza de de 14.89N1. Según un estudio de polímeros realizado por el Instituto Tecnológico de Celaya al PET. Para poder calcular el número de revoluciones necesarias para el corte de la botella de PET, es fundamental saber la configuración geométrica del eje rotor con sus respectivas dimensiones. Para así poder calcular el peso total y el centro de gravedad de las aletas. En la figura (3.1) se muestra la configuración geométrica del eje rotor.
1
Congreso Nacional de Tecnología Industrial DISEÑO DE MÁQUINA RECICLADORA DE PET , pág. 4
42
Figura 3.1 Configuración geométrica del eje rotor.
3.2.1 CÁLCULO DEL PESO DE LAS ALETAS PARA CORTE. Las aletas para corte se encuentran formadas por tres cuerpos geométricos que son: un cuadrante de círculo, un rectángulo y una parábola.
Figura 3.2 Geometría de las aletas para corte
Conociendo las dimensiones de altura, ancho y profundidad de cada una de las figuras que forman la aleta, se obtiene el volumen, que multiplicado por la densidad del acero se puede calcular la masa, la misma que por la aceleración gravitatoria normal se obtiene el peso de cada uno de los cuerpos.
43
Primero se calcula el volumen total de la figura sólida basada en el área por la longitud, para luego obtener la masa y por último el peso total. Este procedimiento se aplica a los tres cuerpos que forman la aleta.
3.2.1.1 Cálculo del volumen del cuadrante de círculo.
V = A *L
(Ecuación 3.1)2
Donde:
V = Volumen (m3) A = π * R2 / 4 = Área del cuadrante del círculo (mm2) L = Longitud (mm) Entonces el volumen del cuadrante de círculo es igual a:
V=
V=
π * R2 *L 4
(Ecuación 3.2) 3
π * 37.5 2 * 190 4
V = 2.10 * 10-4 m3
3.2.1.2 Cálculo de la masa del cuadrante de círculo.
m=d*V
2
BEER, Ferdinand: Mecánica Vectorial Para Ingenieros, pág. 91 Edward Shigley: Diseño de Ingeniería Mecánica, pág. 856. 4 Ibíd. 4 pág. 91 3
(Ecuación 3.3)4
44
Donde:
m = Masa (kg.) d = Densidad del acero 7,850 Kg. / m35 Entonces la masa del cuadrante de círculo es igual a: m = 7,850 Kg. / m3 * 2.10 * 10-4 * m3 m = 1.65 Kg.
3.2.1.3 Cálculo del peso del cuadrante de círculo.
Wcc = m * g
Donde:
Wcc = Peso del cuadrante de circulo (N). g = Aceleración gravitatoria normal. Entonces el peso del cuadrante de círculo es igual a:
Wcc = 1.65 * 9.8066 Wcc = 16.18N
5 6
Ibíd. 4 pág. 91 Ibíd. 4 pág. 91
(Ecuación 3.4)6
45
3.2.2.1 Cálculo del volumen del rectángulo de la aleta.
V=b*h*L Donde:
V = Volumen (m3) b = base (mm) h = altura (mm) L = Longitud (mm) Entonces el volumen del rectángulo que forma la aleta es igual a:
V = 22.5 * 37.5 * 190 V = 1.60 * 10-4 m3
3.2.2.2 Cálculo de la masa del rectángulo.
m=d*V Donde:
m = Masa (kg) d = Densidad del acero 7,850 Kg. / m3 Entonces la masa del rectángulo que forma la aleta es igual a:
7
Ibíd. 4 pág. 92
(Ecuación 3.5)7
46
m = 7,850 Kg / m3 * 1.60 * 10-4 * m3 m = 1.26 Kg
3.2.2.3 Cálculo del peso del rectángulo.
Wr = m * g
Donde:
Wr = Peso del rectángulo (N) g = Aceleración gravitatoria normal equivalente a 9.8066 Entonces el peso del rectángulo que forma la aleta es igual a:
Wr = 1.26 * 9.8066 Wr = 12.36 N
3.2.3.1 Cálculo del volumen de la parábola.
V=
8
Ibíd. 4 pág. 471
a*h *L 3
(Ecuación 3.6)8
47
Donde:
V = Volumen (m3) A = a * h / 3 base = Área de la parábola9 (mm) h = altura (mm) L = Longitud (mm) Entonces el volumen de la parábola es igual a:
V = 37.5 * 37.5 / 3 * 190 V = 8.90 * 10-5 m3
3.2.3.2 Cálculo de la masa de la parábola.
m=d*V Donde:
m = Masa (kg.) d = Densidad del acero 7,850 Kg. / m3 Entonces la masa de la parábola es igual a: m = 7,850 Kg / m3 * 8.90 * 10-5 * m3 m = 0.70 Kg.
9
Ibíd. 4 pág. 471
48
3.2.3.3 Cálculo del peso de la parábola.
Wp = m * g
Donde:
Wp = Peso de la parábola(N) g = Aceleración gravitatoria normal equivalente a 9.8066 Entonces el peso de la parábola es igual a: Wp = 0.69 * 9.8066 Wp = 6.77N El peso total de las aletas es igual a la suma de los tres cuerpos por el número de aletas. Wt = (Wcc + Wr + Wp) * 2
(Ecuación 3.7)
Donde:
Wt = Peso total de las aletas (N) Wcc = Peso del cuadrante de círculo (N) Wr = Peso del rectángulo (N) Wp = Peso de la parábola (N) Reemplazando los valores en la ecuación (3.7) se tiene que el peso total de las dos aletas es igual a: Wt = (16.18 + 12.36 + 6.77) N * 2 Wt = 70.62 N
49
3.2.4 CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ALETA. El centro de gravedad de un objeto es el centro de masa o punto a través del cual se considera que actúa la fuerza de la gravedad. La localización del centro de gravedad se expresa en unidades de longitud, a lo largo de los ejes (X , Y , Z). Estos son los tres componentes del vector distancia desde el origen del sistema de coordenadas hasta la posición del centro de gravedad. El centro de gravedad se calcula a partir de todos los momentos tomados alrededor del origen y dividido para el peso total del cuerpo. El centro de gravedad de un objeto, puede ser calculado si se conocen los centros de gravedad de cada componente10. Para facilidad de cálculo se considera que la aleta está formada por tres cuerpos que son; Una parábola, un rectángulo, y un cuadrante de círculo cada uno de estos cuerpos con sus respectivas distancias a sus centros de gravedad.
3.2.4.1 Cálculo del centro de gravedad de la parábola.
Figura 3.3 Centro de gravedad de la parábola. 10
Ibíd. 1 pág. 37
50
Distancia en ¨X¨. CG X1 =
3*a 4
(Ecuación 3.8)11
Reemplazando los valores se tiene: CG X1 = 28.13mm
Distancia en ¨Y¨. CG Y1 =
3*h 10
Reemplazando los valores se tiene: CG Y1 = 11.25mm
3.2.4.2 Cálculo del centro de gravedad del rectángulo.
Figura 3.4 Centro de gravedad del rectángulo.
11 12
Ibíd. 4 pág. 386 Ibíd. 4 pág. 386
(Ecuación 3.9)12
51
Distancia en ¨X¨. CG X2 =
a 2
(Ecuación 3.10)13
Reemplazando los valores se tiene: CG X2 = 11.25mm
Distancia en ¨Y¨. CG Y2 =
h 2
(Ecuación 3.11)14
Reemplazando los valores se tiene: CG Y2 = 18.75mm
3.2.4.3 Cálculo del centro de gravedad del cuadrante del círculo.
Figura 3.5 Centro de gravedad del cuadrante de círculo. 13 14
Ibíd. 5 pág. 855 Ibíd. 5 pág. 855
52
Distancia en ¨X¨. CG X3 =
4*R 3*π
(Ecuación 3.12)15
Reemplazando los valores se tiene: CG X3 = 15.92mm
Distancia en ¨Y¨. CG Y3 =
4*R 3*π
(Ecuación 3.13)
Reemplazando los valores se tiene: CG Y3 = 15.92mm
3.2.4.4 Ubicación del centro de gravedad de la aleta.
Obtenidos los centros de gravedad de cada cuerpo, se precede a la ubicación de los mismos en la aleta con sus respectivas distancias. Con respecto a los ejes (X , Y) de referencia como punto de origen para todas las medidas.
53
Figura 3.6 Ubicación de los centros de gravedad de cada cuerpo que forma la
aleta. Para la ubicación del centro de gravedad resultante de la aleta se estableció en el acápite (3.2.4). Que el centro de gravedad se calcula a partir de todos los momentos tomados alrededor del origen y dividido para el peso total del cuerpo. Motivo por lo cual se procedió en el acápite (3.2.1.1), al cálculo del peso del cuadrante de círculo que es igual a (16.18N), en el acápite (3.2.1.3) se cálculo el peso del rectángulo de la aleta igual a (12.36) y en el acápite número (3.2.2.3) el peso de la parábola respectivamente; Dando como resultado un peso total de (35.31N).
Para el caso de la aleta se consideran las distancias al centro de gravedad de cada figura geométrica desde el punto de origen ¨O¨. Ubicación del centro de gravedad en el eje X. MX = Mx1 + Mx2 + Mx3
(Ecuación 3.14)16
MX = (6.77 * 28.13) + (12.36 * 48.75) + (16.18 * 75.92) MX = 2.02 * 103 N.mm
CG X =
Mx W
(Ecuación 3.15)17
Donde:
CGX = Centro de gravedad de la aleta en el eje ¨X¨ (mm) MX = Sumatoria de momentos de los cuerpos que forman la aleta con respecto al eje ¨X¨ (N.mm) W = Peso de la aleta (N)
16 17
Ibíd. 1 pág. 32 Ibíd. 1 pág. 32
54
Reemplazando los valores en la fórmula (3.15) se tiene que el centro de gravedad de la aleta en el eje ¨X¨ es igual a: 2.02 * 10 3 CG X = 35.31 CG X = 57.25mm
Ubicación del centro de gravedad en el eje Y. My = My1 + My2 + My3
(Ecuación 3.16)
My = (6.77 * 26.25) + (12.36 * 18.75) + (16.18 * 15.92) My = 667.05 N.mm
CG Y =
My W
(Ecuación 3.17)
Donde:
CGy = Centro de gravedad de la aleta en el eje ¨Y¨ (mm). My = Sumatoria de momentos de los cuerpos que forman la aleta con respecto al eje ¨Y¨ (N.mm). W = Peso de la aleta (N). Reemplazando los valores en la fórmula (3.17) se tiene que el centro de gravedad de la aleta en el eje ¨Y¨ es igual a:
CG Y =
667.05 35.31
CG Y = 18.89mm
55
A continuación con el valor de CGX = 57.25 mm y el valor de CGy = 18.89 mm, se procede a la ubicación del respectivo centro de gravedad en la aleta para así obtener la aceleración angular.
Figura 3.7 Ubicación del centro de gravedad de la aleta con respecto a los ejes
¨X, Y¨.
Obtenido el peso de cada una de las aletas igual a 35.31N, el centro de gravedad de la aleta con un valor de 57.35 mm en el eje ¨X¨ y 18.89 mm en el eje ¨Y ¨. El eje rotor del molino triturador a diseñar posee dos cuchillas motivo por el cual se requiere una fuerza de 29.78N. Entonces las respectivas reacciones son:
56
Figura 3.8 Fuerzas actuantes en la aleta.
∑ Fn = mαn Rx = 3.6 * Cos18 0 * 0.6029ω 2
(Ecuación 3.18)
Donde:
∑Fn = Sumatoria de fuerzas normales m = masa (Kg) αn = Aceleración normal. Rx = Reacción producida en X. ω = Velocidad angular (rad / Seg) Entonces la reacción en ¨X¨ es igual a: Rx = 0.206ω2
∑ Ft = mαt Donde:
∑Ft = Sumatoria de fuerzas transversales m = masa (Kg) αt = Aceleración transversal. Ry= Reacción producida en Y. Reemplazando valores se tiene que la reacción en Y es igual a: – 29.78 – 35.31 + Ry = 3.6*Sen180 * 0.06029ω2
Ry = Reacción en Y.
(Ecuación 3.19)
57
Entonces la reacción en ¨Y¨ es igual a: Ry = 0.0677ω2 + 65.10 Aplicando la ecuación de la sumatoria de momentos con respecto al punto ¨A¨ se tiene que:
∑ MA = Iα + mad
(Ecuación 3.20)
∑MA = Sumatoria de momentos.
I = Inercia. m = masa (Kg) a = aceleración (m / Seg.)
d =Distancia hacia el centro de gravedad (m) Ry * 0.095 - 35.31* 0.03775 = 3.6 * 0.06029 ω2 * 0.02989 Reemplazando el valor de (Ry) en la ecuación número (3.20) y despejando la velocidad angular (ω), se tiene un valor igual a:
ω = 78.2
rad Seg
78.2 rad / Seg equivale 747.13 RPM
3.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO PARA EL CORTE DE LA BOTELLA DE PET.
La potencia de accionamiento del motor eléctrico, es la fuerza que se transmitirá directamente hacia el eje rotor para por medio de las cuchillas de corte para realizar el triturado de la botella de PET.
58
Para el cálculo de la potencia de accionamiento de debe conocer la velocidad tangencial del filo de corte, la velocidad de alimentación del elemento. 3.3.1 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD TANGENCIAL.
Vt =
r *η*π 30
(Ecuación 3.21)
Donde:
Vt = Velocidad tangencial del filo (m / Seg.) r = Radio (m) η = Número de revoluciones (RPM) Reemplazando valores en la ecuación de la velocidad tangencial se tiene que:
Vt =
0.02 * 754 * π 30
Vt = 1.58
m Seg
3.3.2 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN.
Vmat =
q ρ* A
Donde:
Vmat = Velocidad de alimentación (m / Seg). q = Cantidad de producción (10 Kg / h). ρ = Densidad del PET (1,677.14 Kg/m3) 18 A = Área de alimentación (0.19 * 0.0925)m.
18
Ibíd. 1 , pág. 3
(Ecuación 3.22)
59
Reemplazando valores en la ecuación de la velocidad tangencial se tiene que:
Vmat =
10Kg / h 1,677.14 * 0.190 * 0.0925
Vmat = 0.339
m Seg.
3.3.3 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CORTE.
Vc =
Vt2 + Vmat2
(Ecuación 3.23)
Donde:
Vc = Velocidad de corte (m / Seg.) Vt = Velocidad tangencial del filo (m / Seg.) Vmat = Velocidad de alimentación (m / Seg.)
Vc = 1.543
m Seg.
La potencia de accionamiento es igual a: P = F * Vc
(Ecuación 3.24)
Reemplazando el valor de la fuerza requerida para el corte y la velocidad de corte en la ecuación de la potencia se tiene que la potencia de accionamiento es igual a: P = 1900*1.543
60
P = 2,743Watt ≈ 3.93Hp La potencia obtenida de 3.93Hp se multiplica por un factor de trabajo de 1.2 para trabajo moderado, se tiene que la potencia de accionamiento para el molino triturador es igual a 4,71Hp. La dificultad de conseguir en el mercado local un motor eléctrico de 4.71HP, y 747 RPM; Obliga a seleccionar un motor eléctrico de 5HP como potencia de accionamiento a 1,750 RPM para el molino triturador. Con un servicio diario de trabajo 8 horas y un número de arranques 1 por día.
3.4 SELECCIÓN DE LA CORREA TRAPEZOIDAL.
Conocida la potencia de accionamiento de la máquina, se realiza la respectiva selección de correas para transmisión y sus correspondientes poleas, con la ayuda de manuales de selección. Para así obtener el momento torsor y calcular las fuerzas que influyen en el diseño del respectivo eje rotor y los demás elementos que forman el molino triturador.
3.4.1 DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE SERVICIO. Para obtener el factor de servicio primero se ubica en el manual de correas el tipo de motor que se puede utilizar en la industria del plástico y caucho. Con la ayuda del cálculo del motor que es de 5 hp y 1750 rpm NEMA recomienda un motor del tipo Jaula de ardilla con una caída baja del 250%. De acuerdo al manual de correas de transmisión se obtiene que: Para máquinas de la industria del plástico y caucho la letra designada es ¨D¨. Y a la vez señala que se puede utilizar todo tipo de motores eléctricos. 19
19
Manual técnico DAYCO. Páginas, 6-7
61
En seguida con la ayuda de la matriz del factor de servicio. Se ubica el literal “D” con un régimen de trabajo al 250%, cruzando estos dos valores de forma diagonal se obtiene un valor de 1,5.20
Tabla 3.1 Matriz de factor de servicio
FUENTE: DAYCO; Guía de pre ingeniería para correas y poleas.
3.4.2 CÁLCULO DE LA POTENCIA DE DISEÑO. HPd = HPm * fs Donde:
HPd = Potencia de diseño (Hp) HPm = Potencia de accionamiento del motor (Hp) fs = Factor de servicio = 1.5 20
Ibíd. 23 pág. 6
21
Ibíd. 23 pág. 4
(Ecuación 3.25)21
62
HPd = 5 * 1.5 HPd = 7.5 Hp
3.4.3 DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN DE LA BANDA. Con una potencia de diseño de 7.5 Hp y 1,750 RPM y la ayuda de la tabla (3.2) se elige la sección de la correa trapezoidal.
Tabla 3.2 Sección de la correa trapezoidal.
FUENTE: DAYCO; Guía de pre ingeniería para correas y poleas.
Entonces la sección de la correa trapezoidal es 3VX.
3.4.4 SELECCIÓN DE LOS DIAMETROS DE POLEAS, LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN Y EL NÚMERO DE REVOLUCIONES DEL EJE ROTOR. Como ya se estableció en el acápite (3.3.3), el tipo de motor eléctrico a utilizar que es de 5 HP con 1,750 RPM y con la tabla (3.3) se selecciona los diámetros de la polea conductora y la polea conducida, para la reducción de transmisión; La
63
dificultad de conseguir en el mercado local poleas con dimensiones en fracciones de pulgada, obliga a seleccionar poleas en medidas enteras de pulgada: Acatando lo expuesto se elige poleas con diámetros de: Diámetro de la polea conductora 3 pulgadas. Diámetro de la polea conducida 6.90 ≈ 7 pulgadas. La tabla (3.3) también proporciona el valor de la relación de transmisión que es igual a 2.32. De acuerdo a la relación de transmisión y los diámetros de las poleas seleccionados se obtiene también el valor de las revoluciones del eje rotor que es igual a 754 RPM.
Tabla 3.3 Selección de diámetros de poleas y la relación de transmisión.
FUENTE: DAYCO; Guía de pre ingeniería para correas y poleas.
64
3.4.5
CÁLCULO
DE
LA
POTENCIA
CORREGIDA
POR
CORREA
TRAPEZOIDAL. HPcb = HPb * f1
(Ecuación 3.26)22
Donde:
HPcb = Potencia corregida por correa (Hp) HPb = 2.75 Potencia por correa (Hp), valor de tabla. f1 = Factor de corrección por arco de contacto; El catálogo de correas trapezoidales indica que para motores eléctricos monofásicos se puede utilizar todos los factores del código de colores. Se elige un factor de corrección igual a 2.23 HPcb = 2.75 * 2.0 HPcb = 5.50 Hp.
3.4.6 CÁLCULO DEL NÚMERO DE CORREAS TRAPEZOIDALES.
Z=
HPd HPcb
Donde:
Z = Número de correas trapezoidales. HPd= Potencia de diseño (7.5 Hp). HPcb = Potencia corregida por correa trapezoidal (5.50 Hp). Z = 1.36 ≅ 2 correas trapezoidales. 22
Ibíd. 23 pág. 5 Ibíd. 23 pág. 8 24 Ibíd. 23 pág. 5 23
(Ecuación 3.27)24
65
3.4.7
CÁLCULO
DE
LA
TENSIÓN
TRANSMITIDA
POR
CORREA
TRAPEZOIDAL. Existen dos fuerzas presentes en las poleas que son la tensión 1 (t1) ejercida por el motor de accionamiento que es el lado tenso, y la tensión 2 (t2) que es producida por el eje rotor o lado flojo.25
Figura 3.9 Tensión en las correas trapezoidales. FUENTE: DAYCO; Guía de pre-ingeniería para correas y poleas.
t 1 = 41,250
HPd NV
t2 = 33,000 * (1. 25 - N)
(Ecuación 3.28)
HPd NV
Donde:
t1 = Tensión en el lado tenso (lbf). t2 = Tensión en el lado flojo (lbf). HPd = Potencia de diseño (Hp). N = Factor de corrección por arco de contacto. V = velocidad de las correas trapezoidales (ft. / min).
25
Ibíd. 23 pág. 232
(Ecuación 3.29)
66
V= 0.262 * RPM * D
(Ecuación 3.30)26
Donde:
V = Velocidad de la correa trapezoidal (ft. / min) RPM = Velocidad de la polea conductora o del motor eléctrico D = Diámetro de la polea mayor (mm) V = 0.262 * 1,750 * 3 V = 3,209.50 ft / min
3.4.7.1 Cálculo del factor de corrección.
Tiene relación directa con los diámetros de las poleas, dividido para la distancia entre centros. Este valor resultante se encuentra codificado para facilidad de cálculo. Y esta dado por la siguiente ecuación.27
N=
D-d C
(Ecuación 3.31)
Donde:
N = Factor para corrección. D = Diámetro de la polea mayor (mm). d = Diámetro de la polea menor (mm). C = distancia entre centros (mm). Para la aplicación de la ecuación (3.31) en primer lugar de debe conocer la distancia entre los ejes de las poleas.
26 27
Ibíd. 23 pág. 232 Ibíd. 23 pág. 232
67
3.4.7.1.1 Cálculo de la distancia entre ejes de las poleas.
Se tiene que el desarrollo de referencia de la correa trapezoidal es igual a28.
L dth
= 2a + 1.57(D + d) +
(D - d)2
(Ecuación 3.32)
4a
Donde:
Ldth = Desarrollo de referencia calculado de la correa (mm) a = Distancia entre ejes provisional tomada arbitrariamente para facilidad del cálculo (mm) D = Diámetro de la polea conducida (mm) d = Diámetro de la polea conductora (mm) Reemplazando los valores se tiene que el desarrollo de referencia de la correa trapezoidal es igual a:
L dth
= 2 * 420 + 1.57(177.8 + 76.2) +
(177.8 - 76.2)2 4 * 420
Ldth = 1,244.92 mm Luego el desarrollo de referencia seleccionado es igual a: Ldst = 1,240 mm La distancia exacta entre ejes se calcula por medio de la siguiente fórmula.29
a nom =
28 29
L dst -
π (D + d) 2 + 4
L dst -
π (D + d) 2 4
Manual técnico para transmisiones por correas OPTIBELT Pág. 79. Ibíd. 32 pág. 79
2
-
(D - d)2 8
(Ecuación 3.33)
68
Reemplazando los valores calculados y seleccionados en la fórmula de la distancia exacta entre ejes se tiene:
1,240 a nom =
π * (254) 2 + 4
1,240 -
π * 254 2 4
2
-
(101.6)2 8
Entonces la distancia exacta entre ejes es: anom.= 417.43 mm Calculada la distancia exacta entre ejes y reemplazando el valor obtenido en la ecuación (3.31) del cálculo del factor de corrección para el arco de contacto, se tiene que el factor (N) para corrección para el arco de contacto es igual a:
N=
(177.8 - 76.2) 417.43
N = 0.24 Tabla 3.4 Factores para corrección
FUENTE: DAYCO; Guía de pre ingeniería para bandas y poleas.
69
Con el valor de 0,24 correspondiente al factor de corrección del arco de contacto se ubica en la columna del factor (N) y se tiene que: N = 0. 97 Reemplazando los valores de la distancia entre centros, y el factor (N) para corrección para el arco de contacto en la ecuación (3.28) de la tensión 1 y la ecuación (3.29) de la tensión 2 se tiene que los valores de las tensiones ejercidas por la correa trapezoidal son:
t 1 = 41,250
7 .5 (0.97 * 3,209.5)
t1 = 99.37 lbf = 442.02 N
t2 = 33,000 * (1. 25 – 0.97)
7 .5 (0.97 * 3,209.5)
t2 = 22.26 lbf. = 99.02 N
3.5 DISEÑO Y CÁLCULO DEL EJE DEL ROTOR.
En la configuración geométrica del eje no hay diseño existente para usarlo como punto de partida. El mejor enfoque o planteamiento es el de estudiar los diseños existentes con el fin de admitir como se resolvieron problemas similares, y luego combinar lo mejor de ellos para solucionar el problema.30 Para la fabricación del eje se selecciona por medio de un catálogo de aceros el más adecuado y optimo según los requerimientos del diseño. 30
Edward Shigley: Diseño de Ingeniería Mecánica, pág. 790
70
Según la necesidad se requiere un acero Bohler V945 “AISI 1045” que es un acero para la fabricación de partes
de maquinaria sometida a esfuerzos
normales, como árboles de transmisiones, ejes, pines de sujeción, pasadores, etc. Posee una Resistencia última de 580 a 700 N / mm2 y un Límite de fluencia de 330 N / mm2, el acero es de configuración rectangular.31
3.5.1 DATOS INTEGRADOS DE LA MÁQUINA PARA EL CÁLCULO DEL EJE. Los siguientes datos y valores son tomados de cálculos efectuados y valores obtenidos por tablas en catálogos de acuerdo al caso.
31
-
Potencia de transmisión 5HP
-
Velocidad de giro de la polea con respecto al eje 754 RPM.
-
Fuerza ejercida por la correa trapezoidal lado tenso 442.02 N.
-
Fuerza ejercida por la correa trapezoidal lado flojo 99.02 N.
-
Diámetro de la polea conducida 7 Plg. (177.80 mm)
-
Ancho del cubo para la polea 45 mm.
-
Peso de la polea 3.2 Kg. (31.38 N)
-
Peso de las aletas para corte 70.62 N.
-
Peso de las cuchillas para corte 19.02 N.
-
Largo de las aletas para corte 190 mm.
-
Ancho de las aletas para corte 97.5 mm.
-
Alto de las aletas para corte 37.5 mm.
-
Densidad del acero 7,850 Kg. / m3.
-
Fuerza que presenta el P.E.T. al corte 1,925.51 N.
Bohler: Manual técnico de aceros. pág, 85
71
3.6 FUERZAS ACTUANTES EN EL PLANO “ X – Y “ DEL EJE ROTOR.
La fuerza (1) que influyen en este plano se consideran al peso total de las aletas para corte que se cálculo en el acápite (3.2.1), más el peso total de las cuchillas y tiene un valor de: F1 = Wt + Wc
(Ecuación 3.34)
Donde:
F1 = Fuerza 1 de aplicación (N) Wt = Peso total de las aletas (N) Wc = Peso de las cuchillas (N) Reemplazando los valores en la ecuación (3.34) se tiene que la fuerza 1 es igual a: F1 = 70.62 + 19.02 F1 = 89.64 N El material de fabricación de la polea es de hierro fundido, también
es
considerado el peso de la polea que es igual a 31.38N por ser un valor representativo en relación al valor de las aletas y las cuchillas. La representación esquemática de cuerpo libre de acuerdo a la aplicación de fuerzas es el siguiente.
72
Figura 3.10 Fuerzas actuantes “ X – Y “.
∑ MA = 0
(Ecuación 3.35)
160 * 89.64 – Rby * 320 + 31.38 * 365 = 0 Rby = 80.61 N. ∑Fy = 0
(Ecuación 3.36)
Ray + Rby – 89.64 – 31.38 = 0 Ray = 40.31 N.
3.6.1 DIAGRAMA DE CORTANTE.
Figura 3.11 Diagrama de cortante.
73
3.6.2 DIAGRAMA DE MOMENTOS.
Figura 3.12 Diagrama de momentos.
3.7 FUERZAS ACTUANTES EN EL PLANO “ X – Z “ DEL EJE ROTOR.
La deflexión del árbol se produce en el eje “Z “, Por el eje rotor al efectuar el trabajo de corte de la botella de PET; Enseguida se calcula la fuerza de corte que presente la botella de PET, y las tensiones producidas por la correa trapezoidal
3.7.1 CÁLCULO DE LA FUERZA DE CORTE. La fuerza de corte se determina de una forma práctica, con la ayuda de una prensa hidráulica y un troquel para corte; Con un ángulo de cuña igual a 150 grados de incidencia; Se efectuó el ensayo estático de corte de la botella de PET, dando como resultado (40 Kgf / cm2 = 3.92 N / mm2) de presión para el corte; La relación existente entre la fuerza estática con la fuerza dinámica es de aproximadamente de 1 a 100. Luego se obtiene el área de corte del anillo con la siguiente expresión.
74
A=
π 2 2 (D - d ) 4
(Ecuación 3.37)32
Donde:
A = Área del anillo de la botella (mm2) D = Diámetro exterior (mm) d = Diámetro interior (mm) Entonces: A=
π (65 2 - 60 2 ) 4
A = 490.87 mm2 Para relacionar la diferencia entre diámetros se tiene un valor en el pico de la botella y en el asiento de 5mm de espesor. Entonces la fuerza de corte es igual a: Fc = Frc * A
(Ecuación 3.38)33
Donde:
Fc = Fuerza de corte (KN) Frc = Fuerza requerida para el corte (Mpa) A = Área del anillo de la botella (mm2) Aplicando la ecuación (3.38) de la fuerza de corte se tiene una fuerza igual a: Fc = 1,925.51N
32 33
Kurt Gieck, Reiner Gieck: Manual de fórmulas técnicas, pág. P1 Ibíd. 20 pág. P1
75
La botella plástica de material PET, presenta una fuerza de corte de 1,925.51 N. el mismo que sumado al peso de las aletas más el peso de las cuchillas se tiene una fuerza total de: Entonces la fuerza total en el eje es igual a: Fzt = Fc + Wt + Wc
(Ecuación 3.39)
Donde:
Fzt = Fuerza total de corte (N) Fc = Fuerza de corte (N) Wt = Peso total de las aletas (el eje rotor por estar formado por dos aletas el peso es igual 70.62 N) Wc = Peso de las cuchillas de corte (N) Reemplazando los valores en la ecuación (3.39) se tiene que la fuerza total de corte es igual a: Fzt = (1,925.51 + 70.62 + 19.02) N. Fzt = 2,015.15 N
76
3.7.2 TENSIONES PRODUCIDAS POR LA CORREA TRAPEZOIDAL. Las tensiones o fuerzas producidas por la correa trapezoidal tanto del lado tenso como del lado flojo, actúan directamente en el segmento de apoyo para la polea.34
Figura 3.13 Fuerza resultante en la polea del eje rotor FUENTE: DAYCO; Guía de pre-ingeniería para bandas y poleas.
Fzp = Ft+ Ff Donde:
Fzp = Fuerza en el segmento de apoyo para la polea. Ff = Fuerza lado flojo de la polea. Ft = Fuerza lado tenso de la polea.
Entonces:
Fzp = (442.02 + 99.02) N Fzp = 541.04 N.
34 35
Calero Roque: Fundamentos de mecanismos y máquinas para ingenieros, pág. 555. Ibíd. 36, pág. 556
(Ecuación 3.40)35
77
De acuerdo a los cálculos anteriores se procede a la representación del diagrama de cuerpo libre de las fuerzas actuantes.
Figura 3.14 Fuerzas actuantes “X – Z “ ∑ MA = 0
160 * 2,015.15 – Rbz * 320 + 541.04 * 365 = 0 Rbz = 1,624.70 N ∑Fy = 0
Raz + Rbz – 2,015.15 – 541.04 = 0 Raz = 931.49 N 3.7.3 DIAGRAMA DE CORTANTE.
Figura 3.15 Diagrama de cortante.
78
3.7.4 DIAGRAMA DE MOMENTOS.
Figura 3.16 Diagrama de momentos.
3.8 DISEÑO DEL ROTOR.
Para el diseño se utiliza la teoría de la energía de la distorsión, considerando que el elemento a diseñar se encuentra afectado por cargas fluctuantes en inversión completa.36
σa´ = 32 * Kf * Ma / π * D3 σm´ = 16 * Donde:
σa´ = Esfuerzo alternante equivalente. 36
Ibíd. 34, pág. 806
3 * Tm / π * D3
(Ecuación 3.41)
(Ecuación 3.42)
79
Kf = Factor de concentración de esfuerzos por fatiga. Ma = Momento resultante máximo. D = Diámetro.
σm´ = Esfuerzo medio equivalente. Tm = Torque. Los esfuerzos alternantes y medio reemplazados en la fórmula de Goodman modificada, y despejando el diámetro se obtiene:37 1/3
D=
32 * η (Kf * Ma / Se +
3 * Tm / 2 * Sut)
π
(Ecuación 3.43) Donde:
D = Diámetro (mm). η = Factor de seguridad Se = Límite de resistencia a la fatiga (N.mm2). Sut = Resistencia última (N.mm2).
3.8.1 CÁLCULO DEL MOMENTO RESULTANTE MÁXIMO. El momento resultante máximo, se lo obtiene por el teorema de Pitágoras; Sumando el momento máximo en el plano “X -Y” al cuadrado más el momento máximo en el plano “ X – Z “ al cuadrado y luego extrayendo la raíz cuadrada de dicho resultado.
Ma =
37
Ibíd. 34, pág. 806
Mmax.xy2 + Mmax.xz2
(Ecuación 3.44)
80
Donde:
Ma = Momento resultante máximo (KN.mm). Mmax.xy = Momento resultante máximo en el plano ¨X – Y¨ Mmax.xz = Momento resultante máximo en el plano ¨X – Y¨ Entonces reemplazando los valores en la ecuación (3.44) se tiene que el momento resultante máximo es igual a:
Ma =
(6,449.60) 2 + (149,038.40) 2
Ma = 149,1 * 103 KN. Mm
3.8.2 CÁLCULO DE LOS FACTORES QUE MODIFICAN EL LÍMITE A FATIGA DEL EJE ROTOR. Para el cálculo del límite de resistencia a fatiga (Se), se utilizan factores que modifican en función del límite de resistencia del material o acero seleccionado.38 Se = Ka * Kb * Kc * Kd * Ke * Se´
(Ecuación 3.45)
Donde:
Se = Límite de resistencia a la fatiga (N.mm2). Ka = Factor de resistencia de superficie (N.mm2). Kb = Factor de resistencia de tamaño (mm). Kc = Factor de resistencia de carga. Kd = Factor de resistencia de temperatura. Ke = Factor de resistencia de diversos efectos (tratamiento térmico, dureza de superficie, etc.). 38
Ibíd. 34, pág. 317
81
Se´ = Factor de límite de resistencia a la fatiga.
3.8.2.1 Factor de resistencia de superficie (ka)
El acero seleccionado es, (Bohler V945 “AISI 1045”), la resistencia última es de 580 N / mm2 y un límite de fluencia de 330 N / mm2. Este factor depende del acabado de la superficie tales como la corrosión, mal avellanado que puede presentarse en el maquinado o trabajado del acero. Y se lo calcula por la siguiente fórmula.39 Ka = a * (Sut) b
(Ecuación 3.46)
Donde:
Sut = Resistencia última del acero (N.mm2). a = Factor por esmerilado o rectificado = 1.58. b = factor exponencial = - 0.085. Ka = 1.58 * (580)-0.085 Ka = 0.92
3.8.2.2 Factor de resistencia de tamaño (kb).
El factor (kb) se utiliza para elementos que cambian de geometría.40 Para obtener una mayor resistencia de trabajo, durabilidad y garantía en el diseño del eje rotor se estima un diámetro de 30 mm que es bastante robusto; Ya que la sección del eje rotor que se calcula es donde se apoyará la polea conducida que 39 40
Ibíd. 34, pág. 318. Ibíd. 34, pág. 318.
82
accionará al eje rotor; También para proporcionar estabilidad a la polea ya que si se estima un diámetro menor produciría inestabilidad por tener menor área de alojamiento o sustentación. Kb = (D / 7.62)-0.1133
(Ecuación 3.47)
Donde:
D = Diámetro (mm). Kb = (30 / 7.62) –0.1133 Kb = 0.86 3.8.2.3 Factor de carga (kc).
El presente factor es para el tipo de esfuerzo que se aplica o actúa en el acero seleccionado.41 . Kc = 0.923
(Ecuación 3.48)
3.8.2.4 Factor de resistencia de temperatura (kd).
Considera la modificación de dilatación del acero en relación a la temperatura ambiente y la de trabajo a las cuales esta sometido. 42 Kd = 1
41 42
Ibíd. 34, pág. 320. Ibíd. 34, pág. 320.
(Ecuación 3.49)
83
3.8.2.5 Factor de efectos diversos (ke).
Se aplica directamente a los cambios
que sufre el acero, de acuerdo a la
configuración geométrica.43 Ke = 1 / Kf
(Ecuación 3.50)
Kf = 1+ q * (Kt – 1)
(Ecuación 3.51)
Donde:
Kf = Factor que relaciona los diversos diámetros. q = Coeficiente de sensibilidad. Parte de las siguientes relaciones: D/d
(Ecuación 3.52)
r/d
(Ecuación 3.53)
Donde:
D = Diámetro mayor (mm). d = Diámetro menor (mm). r = Radio de entalladura (mm). Se establece un diámetro mayor de 40 mm y para el cálculo del diámetro del eje se estima un diámetro de 30 mm. D/d 40 / 30 = 1.33 43
Ibíd. 34, pág. 322.
84
Para el radio de la entalladura se asume un valor de 2 mm. r/d 2 / 30 = 0.07 El eje se encuentra sometido a flexión y en la tabla (3.5) se ubica el valor de Kt: Obteniéndose un valor de Kt = 1.75
Tabla 3.5 Diagrama de factores de concentración de esfuerzos teóricos Kt
FUENTE: SHIGLEY: J. Diseño en ingeniería mecánica.
Con el radio de la muesca igual a 2 mm y la resistencia última de 82 Kpsi del acero seleccionado, y con la ayuda de la tabla (3.6) se obtiene un factor de sensibilidad a la muesca q = 0.8.
85
Tabla 3.6 Diagrama de sensibilidad a la muesca
FUENTE: SHIGLEY: J. Diseño en ingeniería mecánica.
Reemplazando los valores de Kt = 1.75 y la sensibilidad a la muesca q = 0.8 en la ecuación (3.51) del factor que relaciona los diámetros se tiene: Kf = 1 + 0.8 * (1.75 –1) Kf = 1.35 Entonces, Kf = 1.35 reemplazando este valor en la ecuación del factor de efectos diversos (Ke) se tiene que: Ke = 1 / 1.35 Ke = 0.74
86
3.8.2.6 Factor de límite de resistencia a la fatiga (Se´).
Se lo obtiene por la expresión:44 Se´ = 0.504 * (Sut.)
(Ecuación 3.54)
Donde:
Sut = Resistencia ultima del acero (580 N / mm2). Se´ = 0.504 * 580 Se´ = 292.32 N / mm2 Obtenidos todos los factores se reemplaza en la fórmula (3.31) y se obtiene: Se = 0.92 * 0.86 * 0.923 * 1 * 0.74 * 292.32 Se = 157.97 N / mm2
3.8.3 CÁLCULO DEL TORQUE. El torque se puede calcular aplicando la siguiente fórmula.45 Tm = 63,000 * h / N Donde:
Tm = Torque (lb.pulg). h = Potencia de accionamiento (Hp).
44 45
Ibíd. 34, pág. 329. Ibíd. 34, pág. 809
(Ecuación 3.55)
87
N = Número de revoluciones (rpm). Entonces el torque es igual a: Tm = 63,000 * 5 / 754 Tm = 417.77 Lb. Pulg. = 47,201.44 N. Reemplazando los valores del momento resultante máximo, el límite de resistencia a la fatiga, el torque, el factor de concentración de esfuerzos, la resistencia última del acero seleccionado (Bohler V945
“AISI 1045”) y
considerando un factor de seguridad de 1.5 en la ecuación número (3.43) se tiene: 1/3
D = 32*1.5 (1.35 * 149,177.89 / 157.97 +
3 * 47,201.44 / 2 * 580)
π
D = 27.38mm ≈ 30 mm
3.9 CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD.
De igual manera con los esfuerzos constante y alternante reemplazando en la fórmula de Goodman modificada, y despejando el factor de seguridad se obtiene:46 1 / η = 32 / π * D3 (Kf * Ma / Se +
3 * Tm / 2 * Sut) (Ecuación 3.56)
Donde:
η = Factor de seguridad 46
Ibíd. 34, pág. 806
88
Entonces:
1 / η = 32 / π * 303 (1.35 * 149,177.89 / 157.97 +
3 * 47,201.44 / 2 * 580)
1 / η = 0.51 η = 1.96 El factor de seguridad igual a 1.96 establece que el esfuerzo máximo que actúa en el eje rotor se mantiene por debajo de la resistencia mínima del material seleccionado, por ende dando un mayor seguridad de funcionamiento para el eje rotor.
3.10 CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA DEL EJE.
Tomado como base el diámetro obtenido se procede a la configuración geométrica del eje teniendo en cuenta los distintos elementos que se han de montar sobre el eje tales como: Rodamientos, la polea y lunas para sujeción de las cuchillas de corte. El diámetro obtenido es de 27.38 mm, en el extremo para el alojamiento de la polea pero para una mejor configuración de robustez se establece un valor de 30 mm. Luego para la selección de rodamientos el diámetro determinado es de 40 mm. De acuerdo a la configuración geométrica de las aletas para corte el diámetro del eje rotor tiene un valor de 75 mm de diámetro.
89
La configuración geométrica es la siguiente:
Figura 3.17 Configuración geométrica del eje.
3.11 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS.
Los rodamientos se emplean para transmitir carga principal a través de elementos que están en contacto rodante y no deslizante.47 En la selección de rodamientos se debe considerar que un cojinete está sometido a cargas dinámicas y cargas estáticas o radiales. En los acápites (3.5) y (3.6), se calculó anteriormente las fuerzas que intervienen en los extremos del eje respectivamente:
Extremo A:
Extremo B:
Ray = 40.31 N
Rby = 80.61 N
Raz = 931.49 N
Rbz = 1,624.70
Figura 3.18 Fuerzas en los extremos ¨A y B ¨ del eje. 47
Ibíd. 34, pág. 411.
90
Entonces las fuerzas radiales medias en cada extremo del eje rotor son:
Far =
Ray2 + Raz2
Far =
40.312 + 931.492
(Ecuación 3.57)
Far = 932.36 N
Fbr =
Rby2 + Rbz2
Fbr =
80.612 + 1,624.702
Fbr = 1,626.70 N
Cuando el eje rotor gira para efectuar la acción de corte del material plástico se producen cargas radiales, como el eje rotor gira en su propio eje no existen cargas o fuerzas axiales de empuje, La carga radial máxima48 se la puede calcular por medio de la siguiente ecuación. 1/a
FR = FD *
( LD ND / LR NR ) 0.02 + 4.439 ln (1/R)
Donde:
FR = Capacidad de carga radial de catálogo (N). 48
Ibíd. 34, Pág. 520
(Ecuación 3.58) 1/1.483
91
FD = Carga radial de diseño (N). LD = Duración requerida de diseño en horas (h). ND = Velocidad de diseño (RPM). LR = Duración de catálogo en horas (h). NR = Velocidad de catálogo (RPM). R = Confiabilidad. a = Factor exponencial para cojinetes de bolas igual a 3. Siendo considerada la mayor carga radial media la calculada. Se tiene que la carga radial de diseño es igual a 1,626.70 N. La velocidad de diseño especificada para el proyecto es de 1,750 RPM. El fabricante de rodamientos FAG designa que para los cojinetes que fabrica tienen una confiabilidad del 90 %, una duración de catálogo de 3,000 horas a una velocidad de 500 RPM. 49 También especifica que la duración requerida en máquinas para servicio de 8 horas que se utilizan plenamente es de 8,000 a 10,000 horas. 50 Reemplazando estos valores en la fórmula (3.43) se tiene que la carga radial máxima es igual a: 1/3
FR = 1,626.70 N *
(8,000 * 1,750 / 3,000 * 500) 0.02 + 4.439 ln (1/0.9)
1/1.483
FR = 3,421.98N Realizado el cálculo se tiene que la carga radial máxima es de 3,421.98 N y de acuerdo a la configuración geométrica del eje rotor y al diseño de alojamiento
49 50
Catálogo de rodamientos FAG, pág. 490 Ibíd. 51 Pág. 52
92
para los rodamientos se elige una unidad abridada con soporte para pared en fundición gris los datos técnicos son los siguientes51: Valores detallados en el anexo número 7. Número FG 16208. Carga estática = 15.60 KN. Carga dinámica = 22.4 KN. Diámetro interior = 40 mm. Distancia de orificios para acoplamiento entre centros = 101.60 mm. Ancho de cara = 51.90 mm. Por
consiguiente
las
características
del
rodamiento
son
superiores
al
requerimiento de diseño, satisfaciendo a plenitud la exigencia.
3.12 SELECCIÓN DE LA CUÑA O CHAVETA.
Las funciones principales de la cuña son: Servir como un elemento de seguridad para ejes o elementos de mayor costo, fijar a la polea sobre su eje y también el de transmitir movimiento de rotación desde un eje hasta el elemento que lo soporta.52 Se elige un acero (Bohler E910 “AISI 1010”), con una resistencia última de 320 N / mm2 y un límite a la fluencia de 180 N / mm2 Es un acero para la fabricación de piezas pequeñas tales como chavetas, pasadores y prisioneros, exigidas principalmente al desgaste.53 La longitud del cubo de una polea por lo general es mayor que el diámetro del eje para que exista estabilidad.54
51
Ibíd. 34 pág. 417. Ibíd. 34, pág. 414. 53 BOHLER, Manual de aceros, p. 80 54 Ibíd. 34, pág. 420 52
93
Se elige una cuña o chaveta de forma prismática.
Tabla 3.7 Selección de chavetas y ranuras.
FUENTE: Atlas de elementos de máquinas y mecanismos.
Con la utilización de la tabla (3.7) el diámetro del eje de 30 mm. Se elige una chaveta de la siguiente forma.
Figura 3.19 Configuración geométrica de la chaveta.
94
Los valores de la tabla para la chaveta son: Altura 7mm. Profundidad 8 mm. La tabla de selección de chavetas indica que el largo se puede seleccionar entre un valor de 18 a 70 mm. El ancho total del cubo de la polea a ser utilizada es igual a 33 mm. Razón por la cual el largo de la chaveta es igual a 33 mm. La tabla también proporciona los valores para el alojamiento o la ranura de la chaveta estos valores son: Profundidad = 4mm. Largo = 33 mm,
esté valor está basado en los rangos de longitud
que
proporciona la tabla y directamente con el espesor de la polea.
3.13 DISEÑO DE LAS ALETAS PARA CORTE.
El eje y las aletas para corte se diseñan con el mismo acero formando un solo cuerpo. En las aletas Existe carga a flexión por la fuerza requerida para el corte del material plástico (1,925.51 N); Por lo cual es considerada como una viga en voladizo, con una carga en el extremo. La altura de la aleta es directamente proporcional al radio mayor del eje que equivale a 37.5 mm, con una longitud de 97.5 mm.
95
Figura 3.20 Configuración geométrica de las aletas.
3.13.1 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE.
Figura 3.21 Diagrama de cuerpo libre.
R1 = Vx = F R1 = 1,925.51 N Vx = 1,925.51 N
55
Ibíd. 34, pág. 831.
(Ecuación 3.59)55
96
Momento Flexionante máximo.
Mmax. = - (F * L)
(Ecuación 3.60)56
Mmax. = - 187.74 N. m
3.13.1.1 Diagrama de cortante.
Figura 3.22 Diagrama de cortante de la aleta.
3.13.1.2 Diagrama de momento flector.
Figura 3.23 Diagrama de momento flector de la aleta.
56
Ibíd. 34. pág. 831
97
3.13.2 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DE LA ALETA. Para calcular el momento de inercia se puede considerar a la figura de las aletas para corte como una gráfica compuesta por secciones simples; Donde es necesario conocer los momentos de inercia de esas secciones respecto a ejes no centroidales, para ello se utiliza el teorema de Steinner o de los ejes paralelos.57
Ix = Ix (fig.) + A * L2
(Ecuación 3.61)
“Donde dice que el momento de inercia respecto a un eje cualquiera es igual a la suma del momento de inercia de la figura respecto a un eje centroidal paralelo al primero más el producto de su área por la distancia entre los dos ejes al cuadrado“.58 La inercia con respecto al eje “X“, se escoge por la razón de que las cuchillas trabajan con respecto al eje mencionado.
Figura 3.24 Gráficas que componen la aleta.
57 58
www.ing.aula.ve/-rubio/liner c25.ttm. pág. 3 Ibíd. 59. pág. 3
98
3.13.2.1 Momento de inercia del cuadrante de círculo.
Para calcular el momento de inercia se utiliza la fórmula anterior.
Figura 3.25 Cuadrante de círculo de la aleta.
Área = π r2 / 4
(Ecuación 3.62)59
Distancia = 4 * r / 3 π
(Ecuación 3.63)60
Inercia = 0.0549 * r4
(Ecuación 3.64)61
Entonces:
Ix1 = Ix (fig.) + A * L2 Ix1 = Inercia (mm4). Ix (Fig.) = Inercia figura (mm4). A = Área del cuadrante de círculo (mm2). L = Distancia entre los ejes (mm). Ix1 = 0.0549 * r4 + (π r2 / 4) * (4 * r / 3 π)2 Ix1 = 0.0549 * 37.54 + (π * 37.52 / 4) * (4 * 37.5 / 3 * π) 59
Ibíd. 34, pág. 856 Ibíd. 34. pág. 856 61 Ibíd. 34. pág. 856 60
99
Ix1 = 126,150.05 mm4.
3.13.2.2 Momento de inercia del rectángulo.
Para calcular el momento de inercia se utiliza la fórmula anterior.
Figura 3.26 Rectángulo de la aleta.
Área = b * h
(Ecuación 3.65)62
Distancia = b / 2
(Ecuación 3.66)63
Inercia = b * h3 / 12
(Ecuación 3.67)64
Entonces:
Ix2 = Ix (fig.) + A * L2 Ix1 = Inercia (mm4). Ix (Fig.) = Inercia figura (mm4). A = Área del rectángulo (mm2). L = Distancia entre los ejes (mm).
62
Ibíd. 34, pág. 855 Ibíd. 34. pág. 855 64 Ibíd. 34. pág. 855 63
100
Ix2 = b * h3 / 12 + (b * h) * (b / 2)2 Ix2 = 22.5 * 37.53 / 12 + (22.5 * 37.5) * (22.5 / 2)2 Ix2 = 205,661.95 mm4
3.13.2.3 Momento de inercia de la parábola.
Para calcular este momento de inercia se utiliza las siguientes fórmulas.
Figura 3.27 Parábola de la aleta.
Área = b * h / 3
(Ecuación 3.68)65
Distancia = b / 4
(Ecuación 3.69)66
Inercia = 3a / 4
(Ecuación 3.70)67
Entonces:
Ix3 = Ix (Fig.) + A * L2 65
BEER, Ferdinand: Mecánica Vectorial Para Ingenieros, pág. Centroides de áreas y líneas de formas comunes. Pág. 471 Ibíd. 67, pág. 471 67 Ibíd. 67, pág. 471 66
101
Ix2 = Inercia (mm4). Ix (Fig.) = Inercia figura (mm4). A = Área de la parábola (mm2). L = Distancia entre los ejes (mm). Ix3 = 3a / 4 + (b * h / 3) * (b / 4)2 Ix3 = 3 * 37.5 / 4 + (37.5 * 37.5 / 3) * (37.5 / 4)2 Ix3 = 41,226.57 mm4
3.13.3 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA TOTAL. Obtenidos los momentos de inercia de las tres figuras geométricas que forman la aleta para corte se procede al cálculo de la inercia total con la utilización de la siguiente expresión.68 Ixt = Ix (fig3.12) + Ix (fig3.13) + Ix (fig3.14)
Donde:
Ixt = Inercia total de la aleta para corte (mm4). Ix (fig3.12) = Inercia del cuadrante de círculo (mm4). Ix (fig3.13) = Inercia del rectángulo (mm4). Ix (fig3.14) = Inercia de la parábola (mm4). Ixt = (126,150.05 + 205,661.95 + 41,226.57) mm4 Ixt = 373 * 103 mm4
68
Ibíd. 59, pág, 3
(Ecuación 3.71)
102
3.13.4 DEFLEXIÓN MÁXIMA EN LA ALETA. La deflexión que sufre la aleta por la aplicación de la fuerza en el extremo de la misma se calcula por medio de la siguiente fórmula.69 ymax. = - F * L3 / 3 * E *I
(Ecuación 3.72)
Donde:
ymax. = Deflexión máxima en el extremo de la aleta (mm). F = Fuerza que se aplica (N). L = longitud total de la aleta (mm). E = Módulo de elasticidad del acero 210,000 (N / mm2).70 I = Momento de inercia de la aleta (mm4).
Entonces:
ymax. = - (1,925.51 * 97.53) / 3 * (210 * 103) * (373, 038.57) ymax. = - 76 x10-3mm El límite de la
deflexión máxima recomendada para una pieza general de
máquina se encuentra por medio de la siguiente ecuación. Desde 0.0005 hasta 0.003 mm / mm de la longitud.71
(Ecuación 3.73)
Reemplazando la longitud de la aleta en la ecuación (3.73) se tiene que: 0.0005 * 97.5 = 49 x10-3mm
69
Ibíd. 34, pág. 831. KURT, Giek: Manual de fórmulas técnicas, tabla Z19. 71 Mott Robert: Resistencia de materiales aplicada. pág. 431. 70
103
0.003 * 97.5 = 293x10-3mm Considerando estos valores como límites entre el valor calculado para la deflexión máxima de la aleta que es igual a 76 x10-3mm, se establece que el diseño satisface el rango de valores.
3.14 SELECCIÓN DE LAS CUCHILLAS PARA CORTE.
Según las medidas del eje rotor se selecciona un juego de cuchillas con las siguientes dimensiones. 10 mm de espesor, 65 mm de alto y 190 mm de largo. Por ser las más comunes y comerciales en el mercado local, poseen tres orificios para el alojamiento de los pernos de sujeción. Se encuentran fabricadas en acero de alta resistencia al desgaste y rotura, es un acero para la fabricación de herramientas de corte, y tratado térmicamente. El proceso de corte del material plástico se efectúa sin arranque de viruta. Esté método es conocido como seccionado. Donde cortar con cuña es seccionar piezas con uno o dos filos en forma de cuña, con lo cual se fuerza a la pieza a separarse. En el corte con cuña y en todos los demás procedimientos de separación con cuña de corte están condicionados
los tamaños del ángulo de la cuña, y la
fuerza; Así como las características de los materiales de la herramienta y del material a cortar. 72 Las cuchillas para corte constan de tres partes que son:
72
-
Angulo de La cuña (β).
-
Angulo de despullo (α)
-
El filo de la cuña.
Appold, Feilert: Tecnología de los metales, pág. 144.
104
Figura 3.28 Ángulos de las cuchillas para corte
Ángulo de cuña (β).- Es el formado por la superficie de ataque y la superficie
destalonada. Cuanto menor es el ángulo de cuña, menor es el gasto de energía. Pero el ángulo de cuña debe estar adaptado al material a trabajar. Por consiguiente mientras más duro sea el material por cortar, mayor ha de ser el ángulo de cuña.73 Ángulo de despullo (α).- Es el formado por la superficie destalonada y la de
corte. De el depende el rozamiento y el calentamiento del material. Debe escogerse de manera que la herramienta corte con suficiente libertad. Los materiales blandos requieren un gran ángulo de despullo.74 Filo de la cuña.- Está formado por el ángulo de cuña y el ángulo de despullo por
lo general el filo de la cuña debe ser más duro que el material a cortar.75
3.14.1 AFILADO DE LAS CUCHILLAS DE CORTE. Tomando en consideración lo establecido anteriormente y por datos recopilados por técnicos especializados en el afilado de cuchillas se elige un ángulo de cuña de 150, y un ángulo de despullo de 750, ya que el material plástico (P.E.T.) a cortar es considerado como un material semiduro por tener en su composición
73
Ibíd. 74, pág. 151. Ibíd. 74, pág. 146. 75 Ibíd. 74, pág. 145. 74
105
química fibra de vidrio en comparación a otros materiales plásticos tales como PET, PEAD, PVC, PEBD, etc. Que no tienen fibra de vidrio en su composición.
3.15 DIMENSIONAMIENTO, ESQUEMA Y FABRICACIÓN DE LA TOLVA DE ALIMENTACIÓN.
Las dimensiones de la tolva están basadas en las medidas de la botella desechable de PET, cuyas medidas estándares de fabricación son: Capacidad = 500 cc. Diámetro en la parte más ancha del recipiente = 6.5 cm. Alto total = 22.0 cm. Al prensar el envase para ser triturado se observa que varían las medidas, sin ser tomada con importancia la capacidad. Y se obtiene: Largo = 22.0 cm. Ancho = 9.0 cm. El material usado para la fabricación de la tolva es acero A - 36 de 1.0 mm de espesor. De acuerdo a las medidas tiene un volumen aproximado de 0.015 m 3
3.15.1 PARTES COMPONENTES DE LA TOLVA. La tolva consta de tres partes que son: El canal de ingreso.- O ducto por donde la botella ingresa al interior del molino
triturador para ser cortada, tiene las medidas de 20 cm de largo por 10 cm de alto y 22.5 cm de ancho.
106
El apisonador o sistema de seguridad.-
Es una pequeña compuerta que
permite el ingreso de la botella que se triturará, se cierra por caída de gravedad luego que la botella ingresa completamente a la precámara de cortado. La función principal del mencionado sistema es la de evitar que los residuos de plástico cortado salgan expulsados hacia el exterior por movimiento del eje rotor, acción que permite que los trozos del material sigan en el ciclo de triturado, además de evitar que los pedazos de plástico salten hacia el operario produciéndole daño físico. Posee las dimensiones de 22 cm de largo por 14 cm de alto con un espesor de 1.0 mm; Esta anclado entre el canal de ingreso y la precámara de cortado por medio de soldadura y un sistema de bisagra, el mismo que facilita su caída inmediata o cierre. La precámara de cortado.- Es el lugar donde la botella hace el primer contacto
con el conjunto de cuchillas para luego ser cortada completamente. Sus dimensiones son 30 cm de largo por 20 cm de alto y 22.5 cm de ancho.
3.15.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA TOLVA. Para la fabricación de la tolva se seguirán y utilizarán pasos de diseño, corte y ensamblado muy sencillos. En primer lugar se diseña la tolva con las medidas en un programa de dibujo o diseño “Autocad”. Luego se imprime el plano o una plantilla a escala 1:1, se plantilla o se pega en el tool y cortamos con una caladora eléctrica manual. De esta manera se obtiene todas las partes con sus perforaciones, ángulos y arcos, El uso de estás herramientas es por el bajo costo para producir o fabricar piezas en pequeñas cantidades, al no utilizar la caladora manual se tendría que construir
107
una matriz para troquelado por cada pieza, ángulos, arcos y perforaciones, elevando de esta manera el costo de la máquina a construir. Para luego ensamblarla completamente con soldadura eléctrica.
Figura 3.29 Tolva de alimentación.
3.16 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE MOLIENDA.
La cámara de molienda es el lugar donde se aloja la mayoría de elementos que forman el molino triturador para plástico, tales como:
-
El eje rotor.
-
Los rodamientos.
-
Las cuchillas móviles.
-
Apoyos para cuchillas móviles.
-
La tolva para el ingreso del material plástico.
-
El tamiz de sernimiento.
-
La tolva de descarga.
Principalmente es donde se produce la acción del corte del plástico entre el cruce de las cuchillas fijas del rotor con las cuchillas móviles de la cámara.
108
Los rodamientos cumplen la función primordial de mantener el giro continuo en la cámara de molienda por acción del motor eléctrico, mantener al eje rotor fijo en la cámara y el alineado del eje rotor. Para el respectivo dimensionamiento se considera el diámetro exterior del eje rotor, el acople de los rodamientos, el radio de giro y el largo del eje rotor. En la parte frontal y posterior de la cámara se ubican los apoyos para las cuchillas móviles, poseen tres orificios para el alojamiento de las mismas, se anclan por medio de soldadura por arco eléctrico, no se encuentran sometidos a esfuerzos de tracción pero si de compresión por la acción de corte. En la parte superior de la cámara se inserta la tolva de alimentación que esta fijada a través de una bisagra por la parte posterior, y en la parte frontal un sistema de seguridad para que durante el funcionamiento del molino no se abra. Mientras tanto que en la parte inferior de la cámara se ubica el tamiz de sernimiento y la cámara de descarga que permite el desalojo o la evacuación del material cortado, están sujetos por medio de pernos. Las dimensiones y partes de la cámara de molienda son: Dos placas laterales en acero ASTM A – 36 de 10 mm de espesor por 310 mm de largo y 230 mm de alto. Se elige el espesor de 10 mm de las placas frontales y laterales para la sujeción de los rodamientos ya que son del tipo abridados de pared. La unión entre piezas se efectúa con soldadura por arco eléctrico.
109
Figura 3.30 Cámara de molienda.
3.16.1 DISEÑO Y
DIMENSIONAMIENTO
DE
LOS
APOYOS
PARA
LAS CHILLAS MÓVILES. Se encuentran fijados a las paredes frontal y posterior de las placas de la cámara de molienda por medio de soldadura por arco eléctrico; Los apoyos es el lugar donde se anclan las cuchillas móviles por pernos. Constan de tres agujeros lugar donde se insertan los pernos que fijan a las cuchillas, son de forma rectangular y tienen las dimensiones de 15 mm de espesor, 60 mm de alto y 196 mm de largo. Se encuentran fabricados en acero ASTM A – 36 para la respectiva configuración geométrica se utiliza el proceso de arranque de viruta.
Figura 3.31 Placa apoya cuchillas.
110
3.16.2 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLACA PARA SUJESIÓN DEL TAMIZ. Tiene la función principal de mantener fijo al tamiz que se encuentra en la parte inferior interna de la cámara de molienda posee tres orificios M8 respectivamente roscados. Al igual que las demás piezas que forman la cámara de molienda está sujeto a la misma por medio de soldadura y es de acero ASTM A – 36. Tiene la siguiente configuración geométrica.
Figura 3.32 Placa de sujeción del tamiz.
3.16.3 SOLDADURA DE LA CÁMARA DE MOLIENDA. Recientemente la soldadura ha llegado a ser el método más común para unir entre sí componentes metálicos debido a que las conexiones soldadas son eficientes, limpias y económicas.76 Para efectuar el diseño de la soldadura se elige un electrodo de la serie E60XX por un diámetro de 1 / 8 de pulgada de cateto, con una resistencia última de 427 Mpa. y una resistencia de fluencia igual a 345 Mpa. Aunque se podrá utilizar electrodos más fuertes. 77 76 77
Robert, W: Fitzgerald, Resistencia de materiales, pág. 272. Ibíd. 34, pág. 454.
111
Tabla 3.8 Propiedades de metal soldante.
Número de Electrodo AWS
Resistencia última (Mpa)
Resistencia de fluencia (Mpa)
Elongación (%)
E60XX
427
345
17 – 25
E70XX
482
393
22
E80XX
551
462
19
E90XX
620
531
14 - 17
E100XX
689
600
13 – 16
E120XX
827
737
14
FUENTE: SHIGLEY: J. Diseño en ingeniería mecánica.
Por la aplicación de la fuerza requerida para el corte del material plástico se produce un momento, el mismo que ocasiona una fuerza de flexión sobre las bridas (A y B) que son los soporte para las cuchillas móviles, la misma que se trasmite como una fuerza de tracción en las placas (A´ y B´) sobre la placa lateral (C), lugar donde se alojan dichas bridas. El análisis de la soldadura se efectúa en la unión entre las bridas (A y B) con respecto a las placas (A´ y B´) por ser el punto más crítico de la máquina.
Figura 3.33 Fuerza actuante en los soportes de cuchillas móviles.
112
En la figura 3.20 se determina el área de soldadura.
Figura 3.34 Área de soldadura de soportes para cuchillas.
El área de la garganta del cordón de soldadura se puede calcular por medio de la siguiente fórmula.78 A = 0.707 * h * L
(Ecuación 3.74)
Donde:
A = Área de la garganta (mm2). h = Altura de la garganta (3 mm). L = Longitud a soldar (196 mm).
Entonces:
A = 415.72 mm2 El segundo momento de área unitario se puede calcular por medio de las propiedades a la flexión de unión soldada.79 Iu = d3 /12 78 79
Ibíd. 34 pág. 437. Ibíd. 54 pág. 448.
(Ecuación 3.75)
113
Donde:
Iu = Segundo momento de área unitario. d = 196 mm.
Entonces:
Iu = 627.46 *103 mm2 Luego el momento de inercia del área del cordón de soldadura se puede calcular por medio de la siguiente expresión. 80 I = A * Iu
(Ecuación 3.76)
Reemplazando los valores del área del cordón y el segundo momento de área unitario se tiene: I = 260.85 *106 El esfuerzo normal aplicable a la soldadura esta dado por la siguiente ecuación.81 σ = M* c / I
(Ecuación 3.77)
Donde:
M = Momento aplicado sobre las bridas de soporte para corte. c = Longitud o distancia a soldar. I = Momento de inercia. El valor del momento que se aplica es tomado desde el centro del eje hasta el filo de la cuchilla que se encuentra en el soporte de la misma.
80 81
Ibíd. 54, pág. 448. Ibíd. 54, pág. 448.
114
M = 206.55 * *103 N. mm Reemplazando los valores en la fórmula (3.77) se tiene que el esfuerzo normal es igual a: σ = 155.20 *10 -3 N / mm2 (155.20 Kpa) Las propiedades de soldadura por arco del electrodo E60XX es de 345 (Mpa) que es su límite de fluencia (Sy)82, como este valor es excesivamente elevado garantiza el funcionamiento de la junta soldada.
3.16.4 DIMENSIONAMIENTO DEL TAMIZ DE CERNIDO. La función principal del tamiz es la evacuación del material triturado que es desalojado hacia el exterior de la cámara de molienda, cuando el plástico alcanza el tamaño deseado para ser fundido con mayor facilidad. Esta construido en acero ASTM A – 36 de 2 mm de espesor, tiene las dimensiones de 228 mm de largo por 196 mm de altura, posee 81 perforaciones de 8 mm de diámetro con una distancia entre ellas de 20 mm entre ejes. Las perforaciones se encuentran
en toda el área cóncava que tiene un radio de
curvatura igual a 113 mm. En cada extremo se encuentran las bases con tres perforaciones de 9 mm para ser fijado
en la parte inferior de la cámara de
molienda por medio de pernos M8 X ¾ de pulgada. Su configuración geométrica es la siguiente:
82
Ibíd. 34, pág. 450.
115
Figura 3.35 Tamiz de cernido.
3.16.5 DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE DESCARGA. Se ubica en la parte inferior de la cámara de molienda por medio de tornillos y tuercas hacia la estructura soporte,
tiene forma cónica para un mejor
recogimiento del material y así de esta manera no ocupe un mayor volumen de esparcimiento. Es construido en acero ASTM A – 36 de 1.0 mm de espesor. Está formada por dos paredes laterales, una tapa frontal y una posterior, la unión se efectúa por medio de soldadura por arco eléctrico respectivamente. Su configuración geométrica es la siguiente:
Figura 3.36 Tolva de descarga.
116
3.17 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLACA SOPORTE DEL MOTOR.
La placa soporte del motor está construida y diseñada en plancha de acero liso fabricada bajo la norma ASTM A – 36. De acuerdo a las dimensiones del motor eléctrico la placa soporte tiene la siguiente configuración geométrica.
Figura 3.37 Placa de soporte del motor eléctrico.
Para determinar el espesor de la placa a utilizar se estima a la fuerza de tensión de la banda del lado tenso igual a 442.02 N. Valor obtenido en el acápite (3.3.8) para la transmisión de la potencia del motor eléctrico con respecto al eje rotor del molino triturador, la misma que dividida para los cuatro pernos de sujeción da una carga de 110.51 N. Este valor es la fuerza que ejercen los pernos de montaje sobre la placa. Al aplicarse la fuerza de 110.51N sobre el orificio de la placa de acero se produce una área de desgarre, la misma que se la puede calcular por medio de la siguiente fórmula.83 Ad = 2 * a * t
83
Fórmula obtenida de: Tesis molino de martillos, pág. 72
(Ecuación 3.78)
117
Donde:
Ad = Área de desgarro (mm2). a = Distancia desde el borde del orificio al extremo de la placa (mm). t = Espesor de la placa (mm). Para el cálculo del área de desgarre se estima un espesor de la placa igual a 4mm. Reemplazando los valores en la fórmula del área de desgarre se tiene: Ad = 2 * 15 * 4 Ad = 120 mm2 El esfuerzo cortante se puede calcular en los agujeros de la placa soporte del motor eléctrico por medio de la siguiente fórmula. 84
τ = F / Ad
(Ecuación 3.79)
Reemplazando los valores en la fórmula del esfuerzo cortante se tiene que:
τ = 110.51 / 120 τ = 0.92 N / mm2
(0.92Mpa)
Por la teoría del esfuerzo cortante máximo el factor de seguridad se puede determinar con la siguiente ecuación:85 η = Sy / 2 * τ
84 85
Ibíd. 78, pág. 312 Ibíd. 78, pág. 312
(Ecuación 3.80)
118
Donde:
Sy = Límite de fluencia del acero ASTM A – 36 es igual a 36 kpsi86 equivalente a 248Mpa. Reemplazando los valores se tiene que el factor de seguridad es igual a: η = 248 Mpa. / 2 * 0.92 Mpa. η = 134.78 La teoría del esfuerzo cortante máximo da un valor elevado lo que implica que se podría utilizar una placa de espesor más delgada que el seleccionado (4mm), pero por el peso mismo del motor eléctrico produciría pandeo o doblez de la placa, bajo esta circunstancia se estima que la placa con espesor seleccionado es el adecuado para el modelo matemático dando mayor seguridad al molino triturador. La fijación de la placa se efectúa por medio de soldadura con dos soportes inferiores de ángulo de (50X50X6) mm.
3.18 DISEÑO Y CÁLCULO DE LA MESA O ESTRUCTURA PARA SOPORTE.
La mesa para soporte es la estructura propiamente dicha es el lugar donde se acoplan y alojan la mayoría de elementos tales como la tolva de alimentación, la cámara de molienda completamente armada, con las chumaceras, eje rotor con sus cuchillas fijas, cuchillas móviles, tamiz de cernido, tolva de descarga y el interruptor de encendido, también se encuentra el protector de poleas con las bandas y el motor eléctrico.
86
Ibíd. 34, pág. 12
119
Se elige un ángulo de acero de (50 X 50 x 6) mm, con un peso de 25.50 kg. / 6m con una área transversal igual a 5.41cm2. Para el diseño y construcción de la estructura se establece como parámetros constructivos de mayor importancia a:
-
Rigidez de la estructura soportar para el alojamiento de la cámara de molienda y el motor eléctrico.
-
Estabilidad de la máquina.
Son datos técnicos que afectan directamente en la construcción de la mesa soporte Rigidez.- En ingeniería, la rigidez es la capacidad de un objeto sólido o elemento
estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Normalmente la rigidez se calcula como la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicación de esa fuerza87. En el presente caso se considera al peso total de la cámara de molienda, la tolva de alimentación, la tolva de descarga y el motor eléctrico como fuerza aplicada que influye directamente sobre la estructura. Estabilidad.- La forma constructiva y apariencia tiene relación directa con la
estabilidad de la máquina; Es decir si se construye una estructura de forma rectangular, el sistema no proporcionaría la estabilidad deseada ya que por el diseño y posición del motor eléctrico provocaría que la máquina tienda a producir inestabilidad estructural y así provocar volteo. Pero si se construye una estructura tipo torre, por el ángulo de ubicación de los soportes laterales proporcionan una mayor área de base o sustentación generando de esta manera una mejor estabilidad de la máquina. 87
http://es.wikipedia.org/wiki/Rigidez
120
3.18.1 CÁLCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ESTRUCTURA. El centro de gravedad de un cuerpo es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas, que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo88. La estructura del molino triturador es un cuerpo asimétrico proyectado en tres dimensiones por lo cual no se puede considerar como una figura plana. Para el cálculo del centro de gravedad de la estructura soporte, cada eje se considera por separado donde el centro de cada componente es conocido por simetría, calculo o medición. En la estructura se considera una forma de tipo trapecio (sección A), donde se alojará la cámara de molienda con todos sus elementos, se establece las dimensiones de 502 mm de alto, 508 mm de base y 330 mm en su parte superior, también formada por la base para el apoyo del motor eléctrico (sección B), que tiene la forma de un triangulo isósceles.
Figura 3.38 Diseño y medidas constructivas de la mesa soporte.
Para facilidad de cálculo se considera la sección A como un trapecio plano donde el centro de gravedad se lo puede obtener por la siguiente fórmula.
88
http://es.wikipedia.org/wiki/Centro de gravedad.
121
CGA = h / 3 * (a+2b) / a + b
(Ecuación 3.81)
Figura 3.39 Centros de gravedad secciones A.
Donde:
CGA = Centro de gravedad del trapecio (mm). h = Altura (502 mm.) a = Base del trapecio (508 mm.) b = Parte superior del trapecio (330 mm.) Reemplazando los valores se tiene que el centro de gravedad en el trapecio es igual a: CGA = 502 / 3 * (508 + 2 * 330) / 508 + 330 CGA = 233.22 mm Y para el centro de gravedad de la sección ¨ B ¨ o del triangulo isósceles se tiene que: CGB = h / 3
(Ecuación 3.82)
122
Figura 3.40 Centros de gravedad secciones B. Donde:
CGB = Centro de gravedad del triángulo isósceles (mm). h = Altura de los lados del triángulo (mm). Ubicado el centro de gravedad del trapecio con un peso igual a 21.65 Kg., también se ubica el centro de gravedad del triángulo isósceles con un peso igual a 7 Kg; Dando como resultado un peso total de 28.65 Kg. en la estructura completa, valores obtenidos en la construcción de cada una de ellas por medio de catálogo, igualmente se designa al eje ¨ X – Z ¨ como ejes de simetría.
Figura 3.41 Ubicación de Centros de gravedad secciones A – B plano ¨X – Z¨.
123
De acuerdo a las dimensiones entre centros de gravedad del trapecio y del triángulo isósceles se tiene que el producto de momentos offset sumados a lo largo de cada eje. Las dimensiones mostradas son del CG de cada sección respecto al origen, y el centro de gravedad con respecto al eje ¨ Z ¨ es igual a:
Mz = Wa + Wb
(Ecuación 3.83)
Donde:
W = Peso de la sección (kg). a = Distancia al centro de gravedad de la sección A con respecto a ¨ Z ¨ (mm). b = Distancia al centro de gravedad de la sección B con respecto a ¨ Z ¨ (mm). Reemplazando los valores se tiene que: Mz = 21.65 * 233.32 + 7 * 342.99 Mz = 7,452.32 Kg - mm Luego Mz divido para el peso total de la estructura que es igual a 28.65 Kg se tiene que el desplazamiento del centro de gravedad a lo largo del eje ¨ Z ¨ con respecto al eje ¨ X ¨ es: CGz = 7,452.32 / 28.65
(Ecuación 3.84)
CGz = 260.11 mm. A continuación de la misma manera que se estableció el centro de gravedad en el plano ¨ X – Z ¨ se establece el centro de gravedad en el plano ¨ X – Y ¨. Tomando en consideración la separación de centros de gravedad con respecto a ¨ Y ¨.
124
Figura 3.42 Ubicación de Centros de gravedad secciones A – B plano ¨X – Y¨.
Mx = Wa + Wb
(Ecuación 3.85)
Donde:
W = Peso de la sección (kg). a = Distancia al centro de gravedad de la sección A con respecto a ¨ Y ¨ (mm). b = Distancia al centro de gravedad de la sección B con respecto a ¨ Y ¨ (mm). Reemplazando los valores se tiene Mx = 21.65 * 359.58 + 0 Mx = 7,784.72 Kg-mm. Dividido para el peso total de la estructura se tiene que el desplazamiento del centro de gravedad con respecto al eje ¨ X ¨ es: CGx = 271.72 mm.
125
Para el desplazamiento en el eje ¨ Y ¨ se considera la separación de los centros de gravedad de las secciones ¨ A – B ¨ con respecto al Eje ¨ X ¨ y se tiene: My = Wa + Wb Donde:
W = Peso de la sección (kg). a = Distancia al centro de gravedad de la sección A con respecto a ¨ X ¨ (mm). b = Distancia al centro de gravedad de la sección B con respecto a ¨ X ¨ (mm). Reemplazando los valores se tiene My = 0 + 7 * 24 My = 168 Kg - mm. Obtenido My y dividido para el peso total de la estructura, se tiene que el desplazamiento del centro de gravedad total en el eje ¨ Y ¨ es de: CGy = 5.86 mm.
3.18.2 UBICACIÓN Y REPRESENTACIÓN DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ESTRUCTURA. Obtenido los centros de gravedad en los tres ejes ¨ X – Y – Z ¨ con respecto al origen de la estructura soporte, a continuación en las figuras se representa la ubicación exacta del centro de gravedad. CGz = 260.11 mm. CGy = 5.86 mm. CGx = 271.71 mm.
126
Figura 3.43 Ubicación del centros de gravedad de la estructura soporte.
Representados y ubicados los valores en los respectivos ejes se deduce que el centro de gravedad de la estructura soporte se encuentra en el espacio; También nos ayuda a establecer la distribución exacta y adecuada de todos los elementos y accesorios que se fijarán sobre la estructura propiamente dicha. El peso que soporta la estructura es una combinación de cargas en las que constan: La tolva de alimentación, la cámara de molienda, las cuchillas móviles, pernos de sujeción, chumaceras, eje rotor con las cuchillas fijas, polea conducida, tamiz de cernido y la tolva de descarga todos estos componentes con un peso aproximado de 80 Kg., valor obtenido por planos y catálogos, el motor eléctrico con un peso aproximado a 28 Kg. Valor obtenido por catalogo. Sobre la sección ¨A¨ se ensamblará
la cámara de molienda con todos sus
elementos y accesorios con un peso de 80 Kg, Mientras que en la parte superior de la sección ¨ B ¨ se montará el motor eléctrico con un peso de 28 Kg.
127
3.18.3 CÁLCULO DE LA FUERZA DE EMPUJE. La fuerza de empuje permite establecer la estabilidad, por fuerzas externas o internas que afectan la buena función de la máquina.
Figura 3.44 Aplicación de la fuerza de empuje.
La condición de equilibrio máxima respecto al vuelco indica que este se puede considerar inminente cuando el momento producido por la fuerza Fe es igualado por el momento producido por el peso W, los momentos se toman con respecto al punto O, se puede analizar por la siguiente fórmula. 89
Fe * 0.251 = W * 0.254
(Ecuación 3.86)
Siendo W el peso máximo igual a 695.80 N. correspondiente a la cámara de molienda con todos sus elementos y accesorios, a aplicarse sobre la sección ¨ A ¨, y despejando la fuerza de empuje se tiene que: Fe = 695.80 * 0.254 / 0.251 Fe = 704.12 N. 89
Reginald F, Silos Teoría Investigación y Construcción, pág. 212
128
Si Fe = 704.12 N y es igual a 71.79 kg. Esta fuerza de empuje es bastante considerable, y se establece que la configuración de la estructura es la adecuada para evitar el vuelco. En el acápite (3.17.1) se calculo el centro de gravedad de la estructura; Pero al colocar la cámara de molienda con todos sus elementos y accesorios se determina que todo este peso es absorbido hacia el centro de la sección ¨ A ¨; De la misma manera ocurre cuando se coloca el motor eléctrico todo el peso se dirige hacia el centro de gravedad de la sección ¨ B ¨. Razón por la cual se produce que el centro de gravedad calculado en la estructura cambie completamente de posición. También se establece que el peso que soportará la sección ¨ A ¨ y por la forma constructiva de los apoyos laterales que forman está sección
dará mayor
estabilidad a toda la máquina. En cambio el peso del motor eléctrico es un valor mucho menor que no tendrá mayor influencia en la fijeza de la máquina. De acuerdo a los cálculos del centro de gravedad, de la fuerza de empuje y la selección del ángulo, se establece la configuración geométrica de la mesa soporte, la misma que está unida por medio de soldadura de arco eléctrico.
Figura 3.45 Estructura o mesa soporte.
129
3.18.4 CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE. Para el cálculo de la estructura soporte se considera el peso total que soporta la estructura, esto incluye todos los elementos que forman, tales como: La tolva de alimentación, la cámara de molienda, el eje rotor con sus cuchillas y pernos con un peso de (80 Kg), el motor eléctrico que tiene un peso de 28 (Kg). Valores obtenidos por cálculos, y catálogos de fabricantes.
Figura 3.46 Peso que actúan en la mesa o estructura soporte.
Con la ayuda del programa de dibujo AUTOCAD 2007 se obtiene La configuración geométrica y las dimensiones de la estructura. Se justifican en el proceso de diseño de los mismos y se procede a calcular la estructura como un pórtico.
130
Figura 3.47 Configuración geométrica y dimensiones de la mesa o estructura
soporte.
Las juntas o nodos de los pórticos, soportan momentos, y los ángulos entre los elementos teóricamente permanecen constantes, siempre a noventa grados, las juntas son rígidas. Y los elementos en general trabajan a compresión, flexión y cortante90. Para el cálculo de la estructura soporte se considera, al peso del motor eléctrico que es igual a 28 Kg como un valor despreciable en relación al peso de la cámara de molienda, la tolva de alimentación, el eje rotor, la tolva de descarga que es igual a 80 Kg. Según lo expuesto anteriormente se tiene que, para el cálculo de la estructura se adopta la siguiente forma.
90
Galambos T., Lin, F. J. y Johnston, B. : Diseño de estructuras de acero, pág 38
131
Figura 3.48 Diagrama de cuerpo libre del pórtico.
Para efectuar el cálculo de la estructura soporte se establece que es igual a un pórtico con las columnas empotradas por encontrarse todos los miembros o elementos que forman la estructura unidos entre sí, por medio de soldadura. El análisis del momento en el punto ¨A¨, ocasionado por la aplicación de la fuerza en el pórtico se lo realiza utilizando la siguiente expresión. MA = [(1/ 2n1) – (2α – 1/ 2n2)] * αaP Donde:
MA = Momento en ¨A¨ (N-mm). n1 - n2 = Factores de sustitución (adimensional).
91
Ibíd. 92, pág. 369.
(Ecuación 3.87)91
132
α = Factor de relación, que es igual a la división de la distancia derecha (b) de aplicación de la fuerza con respecto a la longitud total de la viga superior del pórtico. a = Distancia izquierda de aplicación de la fuerza (mm). P = Fuerza de aplicación (N). El factor de sustitución (n1), se puede calcular a través de la siguiente expresión: n1 = 2 + k
(Ecuación 3.88)92
Donde:
k = Coeficiente relacionado con el tipo de apoyo (adimensional). El coeficiente relacionado con el tipo de apoyo. Relaciona a la inercia del material seleccionado para la viga superior (J2) del pórtico por la altura total de la columna y este producto dividido para la inercia del material seleccionado para las columnas (J1) por la longitud total de la viga superior del pórtico; Se lo puede calcular por medio de la siguiente expresión:
k = (J2 * h / J1 * L)
(Ecuación 3.89)93
Donde:
k = Coeficiente relacionado con el tipo de apoyo (adimensional). J2 y J1 = Inercia del perfil seleccionado, para el perfil seleccionado es igual a 12,60 cm4, valor obtenido por catalogo anexo (3). h = Altura total de las columnas del pórtico (mm). L = Longitud total de la viga superior del pórtico (mm).
92 93
Ibíd. 92, pág. 368. Ibíd. 92, pág. 366.
133
Reemplazando los valores en la ecuación número (3.89) y de acuerdo a las medidas del pórtico figura número (3.47), se tiene que el coeficiente relacionado con el tipo de apoyo es igual a: k=1 Entonces, reemplazando los valores en la ecuación número (3.88), se tiene que el factor de sustitución (n1) es igual a: n1 = 3 Y para el factor de sustitución (n2) la ecuación es la siguiente: n2 = 1 + 6k
(Ecuación 3.90)94
Reemplazando los valores en la ecuación (), se tiene que (n2) es igual a: n2 = 7 El factor de relación (α) se puede calcular por medio de la siguiente expresión: α=b/L
(Ecuación 3.91)95
Donde:
α = Factor de relación (adimensional). b = Distancia derecha hacia el punto de aplicación de la fuerza (mm). L = Distancia total de la viga superior del pórtico (mm). Reemplazando los valores en la ecuación número (3.91) se tiene que el factor de relación es igual a:
94 95
Ibíd. 92, pág. 368. Ibíd. 92, pág. 369.
134
α = 0.50 Obtenidos los valores del factor de relación (α), los factores de sustitución (n1 n2), se reemplaza en la ecuación número (3.87), referente al momento en ¨A¨ y se
tiene que el momento es igual a:
MA = 11*103 N.mm El momento en el punto ¨B¨ del pórtico se lo calcula por medio de la siguiente ecuación: MB = [(1/ n1) + (2α – 1/ 2n2)] * αaP
(Ecuación 3.92)96
Reemplazando los valores en la ecuación del momento (MB), se tiene que es igual a: MB = 21.36 *103 N.mm El momento en el punto ¨C¨ del pórtico es igual a: Mc = [(1/ n1) – (2α – 1/ 2n2)] * αaP
(Ecuación 3.93)97
Reemplazando los valores en la ecuación del momento (Mc), se tiene que es igual a: Mc = 21.36 *103 N.mm El momento en el punto ¨D¨ del pórtico es igual a: MD = [(1/2n1) + (2α – 1/ 2n2)] * αaP 96
Ibíd. 92, pág. 369. Ibíd. 92, pág. 369. 98 Ibíd. 92, pág. 369. 97
(Ecuación 3.94)98
135
Reemplazando los valores en la ecuación del momento (MD), se tiene que es igual a: MD = 11 *103 N.mm.
3.18.4.1 Diagrama de momentos flectores en el pórtico.
Figura 3.49 Diagramas de momentos flectores en el pórtico.
Al analizar los valores obtenidos de los momentos en los diferentes puntos del pórtico, se tiene que los máximos momentos flectores o esfuerzos máximos están concentrados en los puntos ¨C y D¨ respectivamente. A continuación se procede a calcular el módulo de sección requerido y el módulo de rigidez del material que es la resistencia a la deformación que presentan los materiales; Para luego compararlos entre sí y concluir si el material seleccionado es el adecuado para el diseño y la construcción de la estructura soporte. Para calcular el módulo de sección requerido se utiliza la siguiente ecuación.
136
Sreq. = M / Fb
(Ecuación 3.95)99
Donde:
Sreq. = Módulo de sección requerido (Cm3). M = Momento máximo del pórtico (N-mm). Fb = Esfuerzo permisible (N/mm2). La calidad del acero seleccionado es, acero ASTM A – 36 que tiene un límite de fluencia igual a (36Kpsi = 248 Mpa)100. Entonces el esfuerzo permisible (Fb), se lo puede calcular a través de la siguiente ecuación. Fb = 0.6 Fy
(Ecuación 3.96)101
Donde:
Fy = límite de fluencia del acero seleccionado. Reemplazando los valores en la ecuación número (3.96) se tiene que el esfuerzo permisible es igual a: Fb = 148.8 Mpa = 148.8 N/mm2 Aplicando la ecuación (3.95), reemplazando el valor del esfuerzo permisible (Fb) y el momento máximo del pórtico se tiene que el módulo de sección requerido es igual a: Sreq. = 0.14 cm3
99
Beer Ferdinand, Johnston E : Mecánica de materiales, pág 173. Ibíd. 5, pág. 12 101 Ibíd. 101, pág. 173 100
137
El módulo de rigidez del material seleccionado se lo puede calcular por medio de la siguiente ecuación. S= I/C
(Ecuación 3.97)102
Donde:
S = Módulo de rigidez del material seleccionado (cm3). I = Inercia del material seleccionado (12,60 cm4). Valor obtenido de tabla anexo (3). C = Centro de la altura del perfil seleccionado (50 mm). Valor obtenido de tabla anexo (3). Reemplazando los valores en la ecuación número (3.97), se tiene que el módulo de rigidez del material seleccionado es igual a: S = 5.04 cm3 La siguiente ecuación (3.98), S > Sreq.
(Ecuación 3.98)103
Establece que el módulo de rigidez del material seleccionado (S), debe ser mayor que el módulo de sección requerido (Sreq), con los valores calculados se compara y se tiene que: 5.04 cm3 > 0.14 cm3 Por lo tanto se deduce que el módulo de rigidez igual a (5.04 cm3) es mayor que el módulo de sección igual a (0.14 cm3); Y esto garantiza que se ha escogido el acero adecuado para la construcción de la estructura soporte del molino triturador.
102 103
Ibíd. 101, pág. 174 Ibíd. 101, pág. 174
138
3.18.4.2 Cálculo de la deflexión máxima en la viga superior ¨B – C¨ del pórtico.
La viga ¨B - C¨, de la estructura, de acuerdo a la figura (3.47) soporta directamente la fuerza de 80 kg que es igual a 784.53 N en el centro de toda su longitud; motivo por el cual se considera que es la sección más crítica de la estructura soporte. Para el cálculo de la viga ¨B – C¨ se considera como una viga con doble empotramiento, con carga en el centro; Por estar unida con soldadura, la viga en sus dos extremos.
Figura 3.50 Diagrama de cuerpo libre de la viga ¨B – C¨.
Aplicando las ecuaciones para obtener las reacciones se tiene que: RA = RC = F / 2
(Ecuación 3.99)104
Donde:
RA = Reacción en el extremo A de la viga (N). RC = Reacción en el extremo B de la viga (N). Reemplazando valores se tiene que el valor de las reacciones en los extremos de la viga es igual a: 104
Ibíd. 5, pág 837.
139
RA = RC = 392.27 N. Los momentos (M1) y (M2) generados en los extremos de la viga, se los puede calcular aplicando la siguiente ecuación: M1 = M2 = – F*L / 8
(Ecuación 3.100)105
Donde:
M1 = Momento en el extremo ¨A¨ de la viga (N.mm). M2 = Momento en el extremo ¨B¨ de la viga (N.mm). F = Fuerza de aplicación sobre la viga (N). L= Longitud total de la viga (mm). Reemplazando valores en la ecuación (3.100), se tiene que los momentos (M1) y (M2) es igual a: M1 = M2 = – 32,66 * 103 N.mm El momento ¨B – A¨, generado en el centro de la viga, se calcula con la siguiente ecuación. MBA = (4X – L) F/8
(Ecuación 3.101)106
Donde:
MBA = Momento de distancia con respecto a ¨B – A¨ en el centro de la viga X = distancia al centro de la viga para el cálculo se considera una distancia igual a 165 mm. L = Longitud total de la viga (mm).
105 106
Ibíd. 5, pág 837. Ibíd. 5, pág 837.
140
F = Fuerza de aplicación sobre la viga. Reemplazando valores en la ecuación (3.101) se tiene que el momento de distancia con respecto a ¨B – A¨ en el centro de la viga es igual a: MBA = 33.25 * 103 N.mm Y el momento ¨A – C¨, generado en el centro de la viga, se calcula con la siguiente ecuación. MAC = (3L – 4X) F/8
(Ecuación 3.101)107
Donde:
MAC = Momento de distancia con respecto a ¨A – C¨ en el centro de la viga X = distancia al centro de la viga para el cálculo se considera una distancia igual a 165 mm. L = Longitud total de la viga (mm). F = Fuerza de aplicación sobre la viga. Reemplazando valores en la ecuación (3.101) se tiene que el momento de distancia con respecto a ¨A – C¨ en el centro de la viga es igual a: MAC = 33.25 * 103 N.mm
107
Ibíd. 5, pág 837.
141
3.18.4.2.1 Diagrama de cortante de la viga.
Figura 3.51 Diagrama de cortante de la viga ¨B – C¨. 3.18.4.2.2 Diagrama de momentos de la viga.
Figura 3.52 Diagrama de momentos de la viga ¨B – C¨.
Para obtener un cálculo exacto de la deflexión se emplea el Teorema de Castigliano que es un procedimiento de análisis de la deflexión fuera de lo común,
142
poderoso y a menudo sorprendentemente simple. Es una forma única de analizar deflexiones.108 El teorema de Castigliano expresa que cuando actúan fuerzas sobre sistemas elásticos
sujetos
a
pequeños
desplazamientos,
el
desplazamiento
correspondiente a una de ellas, colineal con la fuerza, es igual a la derivada parcial de la energía de deformación total con respecto a la fuerza109.
U=
CV2 dx / 2AG
(Ecuación 3.102)110
Donde:
U = Energía de deformación (mm). C = Factor de corrección de energía de deformación para un perfil estructural = 1.00 111(adimensional). V = F = Fuerza de aplicación (N). A = Área del perfil seleccionado = 5.41 cm2, valor obtenido del anexo (3) G = Módulo de elasticidad al cortante (o angular)112 para el acero común es igual a 11.5 Mpsi equivalentes a 79.29 *103 N/mm2. El momento generado en la viga por la aplicación de la fuerza es igual a: M = – F*L / 8
(Ecuación 3.103)113
Integrando y derivando el valor del momento se tiene que la deflexión en el centro de la viga es igual a: Y = F2 L3 / 384 EI = FL3 / 192 EI 108
Ibíd. 5, pág 124. Ibíd. 5, pág 124. 110 Ibíd. 5, pág 123. 111 Ibíd. 5, pág 122. 112 Ibíd. 5, pág 825. 113 Ibíd. 5, pág 837. 109
(Ecuación 3.104)
143
Donde:
Y = Deflexión máxima de la viga (mm). F = Fuerza de aplicación sobre la viga (N). L = Longitud total de la viga (mm). E = Módulo de elasticidad del acero (210* 103 N/ mm2)114. I = Inercia del perfil seleccionado (12.60 cm4). Entonces la energía de deformación total es igual a: L
U =
2 3
F L / 384EI +
CV2 dx / 2AG 0 (Ecuación 3.105)115
Aplicando el teorema de Castigliano en la ecuación número (3.105), se tiene que la deflexión en la viga superior de la estructura es igual a: y = ∂U / ∂F = FL3 / 192 EI + 1*FL / AG
Al sustituir los valores de la F = 784.53 N, L = 333 mm, E = 210*103 N/ mm2, I = 12.60 cm4, A = 5.41 cm2, G = 79.29 * 103 N/mm2, se tiene que la deflexión máxima en la viga superior es igual a: y = 0.012 mm. El límite de la deflexión recomendado que para una pieza general de máquina se encuentra por medio de la siguiente ecuación. Desde 0.0005 hasta 0.003 mm / mm de la longitud.116
(Ecuación 3.106)
Reemplazando la longitud de la viga en la ecuación (3.106) se tiene que:
114
Ibíd. 72, pág Z19. Ibíd. 5, pág 125. 116 Ibíd.73, pág. 431. 115
144
0.0005 * 330 = 0.165 mm. 0.003 * 330 = 0.99 mm Considerando estos valores como límites entre el valor calculado para la deflexión de la viga que es igual a 0.012 mm, se establece que el diseño satisface el rango de valores.
3.18.4.2.3 Cálculo del esfuerzo máximo.
σmax = Mmax
* C /I
(Ecuación 3.107)117
Donde:
σmax= Esfuerzo máximo (Mpa). Mmax = Momento resultante máximo (N.mm). c = Centro de la altura del perfil seleccionado (mm) I = Inercia del material seleccionado (mm4). Reemplazando los valores se tiene que:
σmax = 33.25 * 103
* 25 / 126 * 103
σmax = 6.60 Mpa.
3.18.4.2.4 Cálculo del factor de seguridad
Obtenido el esfuerzo máximo se procede al cálculo del factor de seguridad con la aplicación de la siguiente ecuación. 117
Ibíd. 5, pág. 48
145
η = Sy / σmax
(Ecuación 3.108)118
Donde:
η = Factor de seguridad. Sy = Límite de fluencia del perfil seleccionado acero ASTM A - 36 (36 Kpsi = 248 Mpa).
σmax = Esfuerzo máximo
calculado (6.60 Mpa).
Reemplazando los factores en la ecuación número (3.108) se tiene que el factor de seguridad es igual a: η = 248 / 6.60 η = 37.58 En el diseño estático se obtiene un factor de seguridad igual a 37.58 lo que garantiza el diseño de la máquina; Se podría utilizar un perfil de menores características, pero el perfil seleccionado por las dimensiones de (50 X 50 X 6) de la norma ASTM A-36 ayuda a la estabilidad y rigidez del molino triturador por tener mayor área de sustentación o apoyo.
3.18.4.3 Diseño de los puntales de la estructura
En el pórtico de la figura (3.47), los miembros ¨ A – B ¨ y ¨ C – D ¨ son considerados como puntales, por su longitud muy pequeña (332 mm.), en comparación a las longitudes que poseen las columnas. Un puntal es un elemento corto sometido a compresión, donde actúa una carga (P) de compresión pura en el eje centroidal119.
118 119
Ibíd. 20, pág. P11 Ibíd. 5 pág 143
146
La relación de esbeltez límite se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: (L / k 2) = 0.282 (AE / Pcr) 1/2
(Ecuación 3.109)
Donde:
A = Área del material seleccionado (mm2). E = Módulo de elasticidad del acero (210 * 103 N/ mm2). L = Longitud de la columna (332mm). k 2 = Radio de giro (mm). Pcr = Carga critica (N / mm2). En la relación de esbeltez límite se tiene que el radio de giro (k2) está dado por la siguiente ecuación. k2= I/A
(Ecuación 3.110)
Donde:
I = Inercia del material seleccionado (perfil estructural de 50 X 50 X 6) igual a 126*103 mm4. A = Área del material seleccionado (perfil estructural de 50 X 50 X 6) igual a 541 mm2. De acuerdo al anexo 3. Reemplazando valores en la ecuación del radio de giro se tiene que: k 2 = 232.9 mm2
La carga crítica (Pcr), es la carga necesaria para mantener al puntal deformado sin empuje lateral.
147
Euler establece la ecuación de la carga crítica, que para un puntal con los dos extremos empotrados es igual a: Pcr = 4π 2 EI / L2
(Ecuación 3.111) 120
Reemplazando valores en la ecuación de Euler de la carga crítica para el puntal es igual a: Pcr = 9.48 * 106 N / mm2 Luego reemplazando valores del radio de giro (k2), el área del perfil seleccionado (A), el módulo de elasticidad del acero (E) y la carga crítica (Pcr), en la ecuación (3.109) de la relación de esbeltez límite; Y despejando la longitud (L) se tiene que la longitud del puntal es igual a: L = 21.53 mm Por lo tanto la longitud del puntal no es igual a la seleccionada (332 mm), pero para el diseño o análisis se utiliza como un intervalo de longitud, para el cuál es válido121. El esfuerzo máximo total de compresión debido a flexión y fuerza normal combinados se puede calcular con la ecuación de la secante que toma en cuenta un momento flexionante aumentado debido a la deflexión flexional122, entonces la ecuación del esfuerzo máximo es igual a:
σmax = σ ( 1 + e h / k 2 sec L / 2 σ / E k 2 ) (Ecuación 3.112)
120
Ibíd. 121 Ibíd. 121 122 Hearn E. J: Resistencia de materiales Diseño de estructura y máquinas, pág 437. 121
148
Donde:
σmax = Esfuerzo máximo total de compresión (N / mm2). σ = Esfuerzo normal (N / mm2). h = Altura del perfil seleccionado (mm). k 2 = Radio de giro (mm). L = Longitud del puntal (mm). E = Módulo de elasticidad del acero (210 * 103 N/ mm2). e = Excentricidad (mm). La excentricidad es cuando la carga no se aplica directamente en el centro del puntal, y genera un momento adicional que disminuye la resistencia del elemento, al aparecer un momento en los extremos del puntal hace que la carga no actúe en el centroide del puntal123. La ecuación para calcular la excentricidad es la siguiente: e=M/P
(Ecuación 3.113)
Donde:
e = Excentricidad (mm). M = Momento máximo generado en el pórtico sobre los puntales, calculado en el acápite (3.18.4) equivalente a (MB = 21.36 *103 N.mm ó Mc = 21.36 *103 N.mm). P = Carga o fuerza de aplicación equivalente a 784.53 N. Reemplazando valores en la ecuación de la excentricidad se tiene que es igual a: e = 27.23 mm El esfuerzo normal se lo puede calcular por medio de la siguiente expresión:
123
Ibíd. 124.
149
σ=P/A
(Ecuación 3.114)124
Donde:
σ = Esfuerzo normal (N / mm2). P = Carga o fuerza de aplicación (N). A = Área del perfil seleccionado (perfil estructural de 50 X 50 X 6) igual a 541 mm2. De acuerdo al anexo 3. Reemplazando valores se tiene que el esfuerzo normal es igual a:
σ = 1.45 N / mm2 Reemplazando valores en la ecuación (3.112) se tiene que el esfuerzo máximo total de compresión debido a flexión y fuerza normal combinados es igual a:
σmax = 11.37 (N / mm2) El factor de seguridad en el puntal de la estructura soporte se lo puede calcular con la siguiente ecuación. η = Sy / σmax
(Ecuación 3.115)125
Donde:
η = Factor de seguridad. Sy = Límite de fluencia del perfil seleccionado acero ASTM A - 36 (36 Kpsi = 248 Mpa).
σmax = Esfuerzo máximo 124 125
Ibíd. 124. Ibíd. 20, pág. P11
calculado (11.37 Mpa).
150
El factor de seguridad es un método determinista donde el esfuerzo o esfuerzos máximos que actúan en una pieza de una máquina se mantienen por debajo de la resistencia mínima por medio de un factor de diseño o margen de seguridad adecuado126. Reemplazando los factores en la ecuación número (3.115) se tiene que el factor de seguridad es igual a: η = 248 / 11.37 η = 21.81 El factor de seguridad obtenido es igual a 21.81 lo que garantiza el diseño de los puntales de la estructura soporte del molino triturador; Por tener mayor área de sustentación o apoyo. Se podría utilizar un perfil de menores características, pero el perfil seleccionado por las dimensiones de (50 X 50 X 6) de la norma ASTM A-36 ayuda a la estabilidad y rigidez del molino triturador.
126
Ibíd. 5 pág. 261
151
CAPITULO IV
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE, GASTOS Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
4.1 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE ELEMENTOS
Terminado el diseño, cálculo y selección de elementos; Se procede a la construcción de los elementos que forman el molino triturador.
Para la construcción del eje rotor se compra un bloque de acero bajo la norma AISI 1045 cuyas dimensiones son 390 mm de largo por 200 mm de altura y 75 mm de espesor; Obtenido el bloque de acero se procede al maquinado del mismo. De acuerdo al diseño y las dimensiones del plano del eje rotor en primer lugar se centra el bloque de acero en el torno para tornear los extremos esto es donde se apoyaran las chumaceras y la polea. Luego con la ayuda de la fresadora se realiza la configuración de las alertas. Para culminar con el centrado y roscado de los orificios de las cuchillas móviles; Esta operación se efectúa de forma manual.
El segundo paso de la construcción es la preparación de las placas que forman la cámara de molienda, que son fabricadas en acero bajo la norma ASTM A-36 con un espesor de 10mm. De igual manera con las dimensiones del diseño se procede al refrentado en la fresadora de cada una de las placas que forman la cámara de molienda. Un trabajo adicional se realiza en las dos placas laterales que es el torneado y roscado de los orificios en donde se fijaran las chumaceras que sujetan al eje rotor. Se realiza también el centrado de orificios de las cuchillas fijas en las dos placas soporte para la sujeción de
las mismas. También se
efectúan las perforaciones y el roscado de las dos placas para soporte del tamiz.
152
Terminada la construcción de todas las placas que forman la cámara de molienda y la construcción del eje rotor se procede al ensamblaje de la cámara de molienda con el eje rotor ya que forman un solo cuerpo. La unión de las placas de la cámara de molienda se realiza por medio de soldadura por arco con electrodo revestido. Enseguida se colocan las chumaceras con el eje rotor por medio de pernos, culminando con la colocación de la polea que servirá para el accionamiento del eje rotor.
Luego se prosigue con la construcción de la mesa soporte, donde de acuerdo al diseño se corta el perfil seleccionado ángulo de (50 X 50 X 6) bajo la norma ASTM A-36 para luego ser unido por medio de soldadura por arco con electrodo revestido.
El centrado de los orificios y el maquinado de los mismos en la placa soporte para el alojamiento del
motor eléctrico se
realiza antes de colocarla en la
estructura, para luego unir la placa a la estructura soporte por medio de soldadura.
Más tarde se prosigue a la colocación de la cámara de molienda con el eje rotor armados en la estructura soporte. Estos dos elementos se unen por medio de soldadura por arco con electrodo revestido.
El alineamiento y centrado del motor eléctrico se realiza utilizando un nivel y regla entre la polea del eje rotor y la polea del motor eléctrico, deben mantener una posición completamente lineal entre sí. Para luego de pintar el conjunto completo se procede al ajuste de los pernos de sujeción del motor eléctrico contra la placa soporte del motor con la ayuda de una llave hexagonal de mano.
La construcción del tamiz o malla de cernido se realiza en acero ASTM A-36 con 2 mm de espesor, de igual manera con las dimensiones de diseño se procede al trazo para las 81 perforaciones de 8 mm de diámetro y las perforaciones en los extremos del tamiz para la sujeción en la cámara de molienda. Las perforaciones se realizan con un taladro de forma manual.
153
Obtenido el tamiz con todas sus perforaciones se procede a dar la curvatura necesaria o varolado que tiene un radio de 113 mm.
Para la construcción de la tolva de alimentación, la tolva de descarga y el protector de correas se utiliza acero ASTM A-36 de 1mm de espesor. Con la ayuda de un programa de dibujo AUTOCAD se procede a obtener cada una de las piezas en escala 1:1 que forman la tolva de alimentación, la tolva de descarga y el protector de correas para de esta manera plantillar o pegar el plano sobre el acero y cortar con la ayuda de una caladora eléctrica manual. Obtenidas todas las piezas con sus respectivas perforaciones, ángulos y dobleces que forman la tolva de descarga, la tolva de alimentación y el protector de correas se procede a la unión de elementos con la ayuda de soldadura de punto.
Se culmina la construcción y ensamblaje del molino triturador con el respectivo recubrimiento de pintura.
4.2 ANÁLISIS DE COSTOS DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO
Para la ejecución del presente proyecto los rubros que incidieron en el costo son:
-
Costo de materiales.
-
Costo de mano de obra.
-
Costo gastos varios.
154
4.2.1 COSTO DE MATERIALES
Tabla 4.1 Costo de materiales.
MATERIAL Bloque de acero rectangular / Eje Rotor Placas de acero / Cámara de molienda. Placa de acero / Tamiz de cernido. Lamina de acero / Tolva de alimentación. Lamina de acero / Tolva de descarga. Lamina de acero / Protector de bandas. Lamina perforada / Protector de bandas. Placa de acero / Base de motor Perfil de acero / Estructura. Eje de acero redondo / Bisagra Eje de acero redondo / Bisagra Chumacera de pared 4 Huecos. Perno allen M14 / Cuchillas móviles. Perno allen M14 / Cuchillas fijas. Perno hexagonal M16/ Sujeción chumacera Perno hexagonal M8/ Sujeción tamiz. Perno hexagonal y tuerca / Sujeción motor. Perno hierro y mariposa. Perno hierro / Sujeción protector / bandas. Contactor de encendido. Cable coaxial 3 hilos. Motor eléctrico monofásico.112M Cuchillas para corte Afilado de cuchillas Polea de hierro fundido 2 canales/ Eje rotor. Polea de aluminio fundido 2 canales / Eje motor. Bandas DAYCO Electrodos Sierra de corte Fondo Uní primer. Pintura esmalte sintético Naranja Pintura esmalte sintético Azul. Binchas y tornillos
NORMA
MEDIDAS
CANT.
AISI 1045 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 ASTM A-36 AISI 1018 AISI 1018 FG-16208 Grado 12.9 Grado 12.9 Grado 8 Grado 8 Grado 8 Hierro Hierro
2 Canales
75X200X390 VARIAS 196X250X2 1.300X700X1 1.160X150X1 90X175X1 600X260X1 190X400X4 50X50X6 13X230 25X160 40 mm 14X2X30 14X2X40 16X1.5X25 8X1.25X20 7/16X1 1/4 2 X 1/2 1/4X1/2 2X30Amp. 3X12 5HP/1.725rpm 190x10 15Grados. 7Pulg.
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 6 6 8 6 4 1 4 1 2M. 1 4 4 1
218.00 36.00 5.00 18.00 10.00 5.00 3.00 8.00 25.00 1.00 2.00 26.70 5.04 5.40 6.40 0.90 1.92 0.57 0.60 3.50 3.00 360.00 120.00 96.00 35.03
2 Canales Tipo B 6011/6013
3Pulg. BP-46 1/8´´
1 2 4Kilos 2 1 Litro 1 Litro 1 4
20.00 15.23 6.00 2.60 8.00 8.00 4.00 0.50
Total
1,060.39
AWG-600
Litro Litro 1/16Lt Hierro
Son: Mil sesenta con 39/100 Dólares. FUENTE: Los autores.
PRECIO
155
4.2.2 COSTO DE MANO DE OBRA
Tabla 4.2 Costo de mano de obra.
ACTIVIDAD
COSTO
CONSTRUCCION EJE ROTOR. Torneado, fresado, cepillado, y roscas, CONSTRUCCION CAMARA DE MOLIENDA. Torneado, cepillado, roscas y soldadura. CONSTRUCCION TAMIZ. Perforaciones y barolado. CONSTRUCCION ESTRUCTURA SOPORTE. Soldadura, colocación y centrado placa del motor COLOCACION DE POLEAS Torneado y cepillado. Total
340.00 120.00 15.00 25.00 15.00 515.00
Son: Quinientos quince 00/100 Dólares. FUENTE: Los autores.
4.2.3 COSTO GASTOS VARIOS
Tabla 4.3 Costo gastos varios.
ACTIVIDAD
COSTO
TRANSPORTE IMPRESIÓN DE PLANOS DE TALLER COPIAS OTROS
30.00 20.00 25.00 10.00 Total
Son: Ochenta y cinco 00/100 Dólares. FUENTE: Los autores.
85.00
156
4.2.4 COSTO TOTAL DEL PROYECTO
Tabla 4.4 Costo total del proyecto.
RUBRO
COSTO
COSTO DE MATERIALES. COSTO DE MANO DE OBRA. COSTOS VARIOS.
1,060.39 515.00 85.00 Total
1,660.39
Son: Mil seiscientos sesenta con 39/100 Dólares. FUENTE: Los autores.
La máquina cumple satisfactoriamente con los requisitos técnicos para el triturado de las botellas plásticas desechables, además constituye como una opción económica con relación a maquinas importadas, como parte del objetivo general de este proyecto se estableció la opción de adquisición para el mercado local, ya que está fabricada en el país a menor precio
con similares características y
calidad que las importadas, además de crear nuevas plazas de trabajo.
4.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
El proceso de las pruebas de funcionamiento consiste en obtener los valores reales de trabajo, mediante pruebas de funcionamiento de la máquina; Para ello se evalúa el tiempo real de corte de una botella; En el tiempo real de corte influye directamente con el calibrado de las cuchillas, que es la separación entre las cuchillas móviles con respecto a las cuchillas fijas. Ya que el corte de la botella plástica se efectúa por cizalladura.
El proceso de las pruebas de funcionamiento se realiza dando separaciones entre cuchillas fijas y cuchillas móviles, en cada prueba se consideran sus respectivos
157
tiempos y pesos para luego deducir y concluir con la calibración que mayores ventajas proporcione para una mejor producción.
Todas las pruebas se realizan con 20 unidades de botellas desechables de 500 cc del mismo material (PET), tipo y coloración.
Prueba 1
Separación entre cuchillas frontales 0 mm. Separación entre cuchillas posteriores 0 mm.
Tabla 4.5 Prueba de corte 1.
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
PESO (Lb.)
20
3.0
1
FUENTE: Los autores.
158
Prueba 2
Separación entre cuchillas frontales 1 mm. Separación entre cuchillas posteriores 0 mm.
Tabla 4.6 Prueba de corte 2.
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
PESO (Lb.)
20
3.5
1
FUENTE: Los autores.
Prueba 3
Separación entre cuchillas frontales 2 mm. Separación entre cuchillas posteriores 1 mm.
Tabla 4.7 Prueba de corte 3.
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
PESO (Lb.)
20
5.18
1
FUENTE: Los autores.
159
Prueba 4
Separación entre cuchillas frontales 2 mm. Separación entre cuchillas posteriores 2 mm.
Tabla 4.8 Prueba de corte 4.
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
PESO (Lb.)
20
7.35
1
FUENTE: Los autores.
4.3.1 RESULTADO DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO En la tabla 4.9 se realiza un análisis completo de las cuatro pruebas realizadas.
Tabla 4.9 Resultado de pruebas de funcionamiento. Tabla 4.9 Resultado de las pruebasTIEMPO de funcionamiento. PRUEBA CANTIDAD PESO (Unid.)
(Min.)
(Lb.)
1
20
3.0
1.0
2
20
3.5
1.0
3
20
5.18
1.0
4
20
7.35
1.0
FUENTE: Los autores.
Se concluye que en el análisis de las cuatro pruebas efectuadas, para una buena optimización de tiempo para el material cortado son las pruebas 1 y 2
160
respectivamente. Mientras que las pruebas 3 y 4 demuestran que se requiere de mayor tiempo para cortar la misma cantidad de botellas.
4.3.2 PRUEBAS DE CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN
Experimentalmente se selecciona al azar una determinada cantidad de botellas para ser trituradas, La acción de triturar las botellas dará como resultado un tiempo y una determinada cantidad de material cortado. Valores que serán tomados en cuenta para elaborar un respectivo análisis de producción.
Para cada ciclo de corte se realizan tres pruebas de corte con la misma cantidad de botellas desechables. En las siguientes tablas se expresan los resultados obtenidos para cada ciclo de corte, el tiempo de triturado de las botellas y la cantidad de material triturado.
CICLO 1 Cada prueba de corte se efectúa con 10 botellas desechables de 500cc
Tabla 4.10 Tiempos y pesos de operación ciclo 1. PRUEBA
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
1
10
1.50
0.50
2
10
1.55
0.50
3
10
1.53
0.50
30
4.58
1.50
TOTAL
FUENTE: Los autores.
PESO (Lb.)
161
CICLO 2 Cada prueba de corte se efectúa con 20 botellas desechables de 500cc
Tabla 4.11 Tiempos y pesos de operación ciclo 2. PRUEBA
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
1
20
3.10
1.00
2
20
3.20
1.00
3
20
3.50
1.00
60
9.80
3.00
TOTAL
PESO (Lb.)
FUENTE: Los autores.
CICLO 3 Cada prueba de corte se efectúa con 50 botellas desechables de 500cc
Tabla 4.12 Tiempos y pesos de operación ciclo 3. PRUEBA
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
1
50
8.33
2.50
2
50
9.20
2.50
3
50
8.52
2.50
150
26.05
7.50
TOTAL
FUENTE: Los autores.
PESO (Lb.)
162
CICLO 4 Cada prueba de corte se efectúa con 100 botellas desechables de 500cc
Tabla 4.13 Tiempos y pesos de operación ciclo 4. PRUEBA
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
1
100
16.00
5.00
2
100
17.20
5.00
3
100
18.10
5.00
300
51.30
15.00
TOTAL
PESO (Lb.)
FUENTE: Los autores.
Terminado cada ciclo de operación y tomados sus respectivos pesos se nota que el tiempo es variable, manteniéndose constante el peso del material cortado.
A continuación se suman todos los ciclos de pruebas efectuados para obtener una cantidad, un tiempo y un peso total, valores que proporcionan un valor real de producción en Lb. / min. de la máquina.
Tabla 4.14 Tiempos y pesos totales por número de ciclos de operación. CICLOS
CANTIDAD (Unid.)
TIEMPO (Min.)
PESO (Lb.)
1
30
4.58
1.50
2
60
9.80
3.00
3
150
26.05
7.50
4
300
51.30
15.00
TOTAL
540
91.73
27.00
FUENTE: Los autores.
163
Luego se tiene que la producción total de material triturado es de 27 libras con un tiempo de 91.73 minutos con 540 botellas trituradas de 500 cc.
Y para obtener la producción total en Kg. / h se realiza la siguiente conversión de unidades.
27 Lb.
60 min.
1Kg.
8 Kg.
91 .73min.
1h.
2.2Lb.
h.
Efectuadas las respectivas operaciones matemáticas; Se tiene que la máquina esta en capacidad de producir una cantidad de 8 kg. / h. Y en una jornada normal de trabajo de 8 horas diarias, el molino triturador estaría produciendo 64 kilos por día.
164
CONCLUSIONES
-
La cantidad de producción de material triturado es directamente proporcional con la regulación de las cuchillas, una falta de calibración producen un 30% menor cantidad de material cortado.
-
Para el precio de venta de la máquina se establece un costo de ganancia por diseño de un 25% de la construcción, el mismo que comparado a una máquina importada con las mismas características de funcionamiento, es un 50% más bajo.
-
El diseño ergonómico de la máquina se adapta y acopla a la realidad de la estatura promedio de un operador de nuestro país.
-
El 80% de la máquina es desmontable razón por la cual facilita su mantenimiento.
-
La utilización de elementos estandarizados y de fácil adquisición en el mercado local: Tales como chumaceras, cuchillas de corte, pernos, correas de transmisión, motor eléctrico y swiche de encendido; Ayudan a prolongar la vida útil del molino triturador, en el caso de que mencionados elementos sufran alguna avería o daño prematuro.
165
RECOMENDACIONES
-
Se recomienda no triturar material plástico más grueso que el designado, pues podría disminuir la vida útil de las cuchillas de corte, y trabar al eje rotor.
-
Para realizar el mantenimiento o reemplazo de las cuchillas desconectar la máquina de la red eléctrica ya que podría accionarse accidentalmente y causar gran daño físico al operador.
-
Nunca cambiar las cuchillas móviles por las cuchillas fijas.
-
El afilado de las cuchillas
debe ser realizado por una persona con
experiencia, sin perder el ángulo de cuña que es igual a 15 grados.
-
Un buen mantenimiento de las chumaceras garantiza la vida útil del eje rotor.
-
Se recomienda revisar la tensión y estado de las correas de transmisión; Si presentan pequeñas roturas cambiar por correas del mismo tipo.
166
BIBLIOGRAFÍA
APPOLD, Feiler, REINHARD, Schmidt: Tecnología de los metales, Sociedad Alemana de Cooperación Técnica (GTZ), Editorial reverte S.A., España 1,984.
BEER, Ferdinand, RUSSEL, Johnston: Mecánica vectorial para ingenieros, Sexta edición, Editorial Mc. Graw-Hill, México 1.999.
BOVEY, Frank : Química de los plásticos.
CALERO, Roque: Fundamentos de mecanismos y máquinas para ingenieros, Primera edición, Editorial Mc. Graw-Hill, España, 1,999.
DEFFIS, Armando: La basura es la solución CDN000003, (Fundación Natura).
FITZGERALD,
Robert:
Resistencia
de
materiales,
Fondo
educativo
interamericano S.A., Estados Unidos, 1,967.
Folleto Fundación Natura 3R/2005.
GREIG, Michaeli, VOSSEBURGER, Kaufmann: Tecnología de los plásticos, Editorial Hanser, Barcelona - España.
INTEGRA, Revista de la asociación ecuatoriana de plásticos, ASEPLAST, Septiembre, 2,004.
LEÓN, Juan: Dinámica de máquinas, Editorial Limusa S. A., México, 1,983
JUTZ, Scharkus: Prontuario de materiales, Westerman. 1,984
tercera edición, Editorial
Gorg
167
KURT, Giek: Manual de fórmulas técnicas, treintava edición, Editorial Alfaomega, México, 2,000.
LARBURU, Nicolás: Prontuario Técnicas, Máquinas, Herramientas, Séptima edición, Editorial Paraninfo, Madrid-España, 1,995. Manual técnico: Programa standard FAG, Catálogo N0 41 500 / 2 SA.
Manual técnico de aceros BOHLER.
Manual de reciclajes de plásticos, Corporación OIKUS / USAID 2,004
Manual técnico Dayco: Guía de pre ingeniería para bandas y poleas, Dayco Corp. Dayco – Daytona, Ohio 45407, 1,981.
MERIAN, J. L, KRAIGE, L, G: Dinámica para ingenieros, Tercera edición, Editorial Riverte S. A, Barcelona – España, 1,998.
MOTT, Robert: Applied Strength of materials, Segunda edición, Editorial PrinticeHall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1,990.
NASH, William: Resistencia de materiales, Editorial Mc Graw- Hill, México, 1970.
REGINALD, F: Silos Teoría Investigación y Construcción,
SHIGLEY, Joseph: Diseño en ingeniería mecánica, Quinta edición, Editorial Mc. Graw-Hill, México, 1,999.
WEG, Motores eléctricos, http://es.wikipedia.org/wiki/Rigidez
http://es.wikipedia.org/wiki/Ergonom%C3%ADa,
168
www.ambiente.gov.ec/AMBIENTE/ legislacion/docs/libroVII_TV.htm
www.comil.satnet.net/
www.ded.org.ec/essapa30.htm.
www.grupcecassa.es/webs/jemcu/met1.htm.
www.hoy.com.ec/suplemen/blan198/byn.htm
www.ing.aula.ve/-rubio/liner c25.htm.
www. Isve.com/sp/tritotuto –25-66 htm.
www.lahora.com.ec/noticiacompleta.asp.
www. Monografías.com/trabajos 10 recic.shtml.
www.Monografías.com/ParticipaciónSocial/shtml.
www.municipiodeloja.gov.ec
www.uam.com.mex.
169
ANEXOS
170
ANEXOS 1 PLANOS DE CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA
171
ANEXOS 2 MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
172
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
6.1 INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN Terminada la fabricación de la máquina con todos sus elementos y la adquisición del equipamiento, ponemos a disposición los procedimientos necesarios para el mantenimiento del molino triturador de botellas plásticas desechables.
6.2 SEGURIDAD
1. No emplee personal incapacitado para operar la máquina. 2. Apague la máquina cuando no se encuentre en funcionamiento. 3. La máquina debe ser colocada en un piso nivelado y si es posible fijarla con pernos contra el piso. 4. Para seguridad del operario usar gafas protectoras y guantes. 5. La mano del operario no debe ser introducida, solo empujar la botella hasta que ingrese en su totalidad. 6. Verificar que la mariposa de seguridad de la tolva de alimentación este cerrada completamente. 7. Verificar que el sistema de seguridad de ingreso de la tolva de alimentación cierre y abra con facilidad.
6.3 OPERACIÓN DEL MOLINO TRITURADOR
1. Las botellas desechables deben ser prensadas para mayor facilidad de ingreso por la tolva y para el triturado. 2. Presionar el switch lateral de encendido en la posición ON el motor eléctrico mueve directamente al eje rotor. 3. Las botellas deben ser introducidas en la tolva de alimentación, las mismas que hacen contacto con las cuchillas de corte para el triturado.
173
4. Luego que la botella es triturada en partículas pequeñas comienza la evacuación del material cortado por la tolva de descarga.
6.4 MANTENIMIENTO
1. Lubricar las chumaceras o rodamientos de pared cada tres meses. 2. verificar diariamente el estado de las cuchillas si se encuentran picadas realizar el respectivo rectificado o afilado. 3. El calibrado de las cuchillas móviles debe ser muy minucioso y tener en cuenta que no deben chocar entre sí, ya que el cruce incorrecto puede dañar las cuchillas y también el eje rotor. 4. Luego de calibrar correctamente las cuchillas móviles sujetar y presionar los pernos con muy buena presión para evitar que las cuchillas se aflojen y produzcan daño a las cuchillas fijas y al eje rotor.
174
ANEXOS 3 CARACTERÍSTICAS DEL PERFIL ESTRUCTURAL
175
176
ANEXOS 4 PROPIEDADES DE LOS ACEROS
177
178
ANEXOS 5 CUCHILLAS
179
180
ANEXOS 6 DIMENSIONES DEL MOTOR ELÉCTRICO
181
182
ANEXOS 7 RODAMIENTOS
183
184
ANEXOS 8 SELECCIÓN DE CHAVETA
185
186
ANEXOS 9 AJUSTES Y TOLERANCIAS
187
188
ANEXOS 10 FOTOGRAFÍAS DE LA MÁQUINA
189
190
