DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo a mis padres porque siempre estuvieron conmigo cuando más más los necesité, a mis hermanas Amelia y Lucy por todo su apoyo y cariño, a mí enamorada Gyna porque por ayudarme en los momentos más difíciles y sobre todo les dedico este trabajo a mis mis sobrinos Joaquín y Luana porque es mi razón de ser.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi padre, madre y hermanos por estar junto a mí en las buenas y malas incondicionalmente, incondicionalmente, y siempre siempre haberme ayudado. ayudado. A mí enamorada Gyna por su cariño, paciencia y aliento durante todo el tiempo transcurrido en la carrera. Al Ing. Marín por haberme guiado y motivado m otivado de la mejor manera durante la realización de este trabajo. Y finalmente agradezco a todo el personal docente de CIME por haber transmitido sus conocimientos con el afán de formarme para mi vida profesional.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi padre, madre y hermanos por estar junto a mí en las buenas y malas incondicionalmente, incondicionalmente, y siempre siempre haberme ayudado. ayudado. A mí enamorada Gyna por su cariño, paciencia y aliento durante todo el tiempo transcurrido en la carrera. Al Ing. Marín por haberme guiado y motivado m otivado de la mejor manera durante la realización de este trabajo. Y finalmente agradezco a todo el personal docente de CIME por haber transmitido sus conocimientos con el afán de formarme para mi vida profesional.
“DISEÑO DE UNA MÁQUINA PELADORA DE TUNAS DE SEGUNDA CLASE SEGÚN SU PESO ESPECIFICO”
INDICE
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................... .......................................................................... 1 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA .............................................................................. 2 HIPOTESIS ............................................................... ....................................................................................................................... ........................................................ 2 RESUMEN.................................................................. ......................................................................................................................... ....................................................... 3
CAPITULO I ...................................................................................................................... ..................................................................................................................... 4 1.1.
Introducción ....................................................................................................... ...................................................................................................... 4
1.2.
Objetivo general .............................................................. ............................................................................................... ................................. 5
1.3.
Objetivos Específicos ................................................................ ...................................................................................... ...................... 5
1.4.
Formulación del Problema .............................................................................. 5
CAPITULO II ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 6 2.1.
Antecedentes .................................................................................................... 6
2.2.
Conceptos Tecnológicos ................................................................................. ................................................................................. 7
2.2.1.
La tuna .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 7
2.2.2.
Flujo de la cadena de tuna y cochinilla ................................................. 9
2.2.3.
Características y usos de la tuna ......................................................... ........................................................ 10
2.3.
Estudio de mercado ....................................................................................... 14
2.4.
Teoría de Diseño ............................................................................................ ............................................................................................ 16
2.4.1.
Diseño de ejes ........................................................................................ 16
2.4.2.
Cálculo de ejes ....................................................................................... 16
2.4.3.
Selección de materiales para máquinas de industriasalimentarias 17 17
2.4.4.
Selección y aplicación de motores eléctricos ................................... 19
2.4.5.
Gestión inicial .......................................................................................... ......................................................................................... 20
2.4.6.
Por qué el motor jaula de ardilla .......................................................... 21
2.4.7.
Las normas .............................................................................................. ............................................................................................. 21
2.4.8.
El lugar de instalación. .................................................................... .......................................................................... ...... 22
2.4.9.
Fajas de transmisión .............................................................................. ............................................................................. 23
2.4.10. Diseño de tornillo sin fin ............................................................... ........................................................................ ......... 24 2.4.11.
Teoría y aplicación de soldadura ..................................................... 25
2.4.12.
Rodamientos ....................................................................................... 27
CAPITULO III .................................................................................................................. ................................................................................................................. 31 3.1.
Diseño de la navaja de pelado ..................................................................... 31
3.2.
Determinación de la fuerza necesaria para pelar la fruta de tuna .......... 33
3.3.
Elección del motor de la porta tunas ........................................................... 37
3.4.
Diseño de los brazos giratorios .................................................................... .................................................................... 38
3.5.
Diseño del Eje ……………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………. ……………………………….41
CAPITULO IV ........................................................... ................................................................................................................. ...................................................... 42 4.1.
Análisis de costos ........................................................................................... .......................................................................................... 44
4.2.
Costos directos ............................................................................................... 44
4.3.
Costos indirectos ............................................................................................ ............................................................................................ 45
4.4.
Costo de maquinaria ...................................................................................... ..................................................................................... 45
4.5.
Costo mano de obra .................................................................. ...................................................................................... .................... 45
4.6.
Costos varios ................................................................... .................................................................................................. ............................... 46
4.7.
Costo total de la construcción de la peladora de tuna ............................. 47
CONCLUSIONES ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 48
1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: La Tuna es una fruta muy agradable y bastante difundida en nuestro país, y en el Distrito de Sitajara es uno de los principales productores de esta fruta, lo cual es bastante consumida, pero existe una dificultad básicamente al momento de cosecharla y al momento de pelarla, pues la planta e incluso el mismo fruto tiene unas espinas bastantes punzantes que pueden llegar a lastimar bastante.
En este caso buscaremos una solución para facilitar el pelado del fruto. El pelado de la tuna es un proceso un poco complicado y relativamente peligroso debido a las pequeñas espinas que contiene este fruto, que penetran muy fácilmente la piel y son difíciles de sacar.
Dándole valor agregado a la fruta de la tuna como la fabricación de manjares, queso, jugos, mermeladas, tintes, etc. Este diseño facilitara la fabricación de dichos productos con mayor calidad.
2
JUSTIFICACION DEL PROBLEMA: El Diseño de una Maquina peladora de tuna clase 2 según su peso específico ayudara a los campesinos del distrito de Sitajara a ahorrar tiempo en el pelado de la tuna
El diseño de la maquina peladora facilitara el pelado de la tuna, además dejara abierta la posibilidad de posteriores incursiones de investigación que permite optimizar a través de mejoras.
HIPOTESIS
Con el Diseño de la Maquina peladora de tuna de segunda clase según su peso específico se lograra reducir el tiempo de pelado y contacto con la tuna para su mayor producción y mejorar la calidad de la producción, dando énfasis en la ergonomía de los operarios y cuidando el medio ambiente.
Al terminar con el proyecto la población de Sitajara-Tacna se sentirá satisfecha por contar con una maquina peladora de tuna para el procesamiento de la fruta de tuna y tomara más interés en el cultivo de dicha fruta.
El costo de esta máquina peladora de tuna de segunda clase según su peso específico Sitajara.
será económico y factible para la población de
3
RESUMEN El principal objetivo del presente trabajo es el de diseñar una máquina peladora de tunas de segunda clase según su peso específico. Como primer punto, además de investigar antecedentes sobre la situación mundial y nacional de la tuna, se realizó una caracterización del fruto y se analizó el método de pelado manual. Posteriormente se desarrollaron los posibles conceptos en base a los requerimientos planteados para el diseño de la máquina. Una vez elegido el diseño conceptual a desarrollar, se realizó el diseño detallado del mismo, justificándolo en base a cálculos y decisiones de diseño. También se realizaron los planos de cada uno de sus componentes así como de sus sub ensambles y ensamble general. Finalmente se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de este proyecto y en base a la evaluación del cumplimiento del objetivo principal y objetivos específicos.
4
CAPITULO I ESPECIFICACIONES GENERALES 1.1. Introducción Perú tiene una historia y una estrecha tradición ligada a la planta del nopal desde tiempos ancestrales, pasando por su fundación, abarcando sus costumbres y siendo hasta la actualidad una fuente importante de recursos naturales aprovechables para un sector importante de nuestra sociedad. La tradición de cultivo y consumo de esta planta junto con sus frutos se extiende a lo largo de la mayoría del territorio nacional, una de las razones principales de esto es la facilidad de su cultivo y producción gracias a las características agroclimáticas favorables para su desarrollo. Por ello se consume en gran cantidad el nopal y su fruto la tuna, que actualmente ha cobrado gran interés y demanda en el mercado nacional e internacional debido a sus características atractivas al consumidor. Tomando en cuenta el incremento en la demanda de este fruto, resulta importante capitalizar la ventaja comparativa que Perú posee por ser uno de los productores a nivel mundial del fruto de la, pues de lograrlo los beneficios a nuestros productores resultarían importantes.
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1.2. Objetivo general Diseñar una máquina peladora de tunas a nivel agroindustrial para un proceso de producción en línea, para su posterior implementación en el Distrito Andino de Sitajara.
1.3. Objetivos Específicos
Diseñar la máquina de tal manera, que mejore la ergonomía de los obreros en la planta procesadora de Tunas.
La mejora debe tener un buen acabado superficial.
Las máquinas diseñadas deben procesar la fruta de tal manera que el contacto entre la máquina y la fruta debe ocurrir sin abrasiones ni choques fuertes.
1.4. Formulación del Problema
¿Qué viabilidad puede tener la implementación de maquinaria para una peladora de fruta de Tuna en el distrito de Sitajara?
¿Cuáles son los resultados esperados a mediano y largo plazo?
¿Qué características especiales y especificaciones deberá tener la máquina para manipulación de fruta por su ubicación en una zona andina y rural?
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CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes En la zona andina de la región de Tacna se encuentran las zonas más productivas de tuna de la macro región Tacna, en los distritos de Sitajara, Susapaya y el centro poblado rural de Challaguaya. Los productores dedican el 100% de su producción al mercado regional. Debido a que existe un gran potencial para convertir el sector agrario en una fuente de riqueza y desarrollo, se pretende implementar el rubro de post cosecha de tunas con maquinaria semiautomática en el sistema de clasificación de fruta lo que conllevará a satisfacer los requerimientos de los consumidores, la ampliación del radio de llegada al consumidor, con lo que evidentemente se logrará una mayor cotización del producto. En las zonas den mención, los procesos de post-cosecha no son los más adecuados para alcanzar una competitividad en este mundo globalizado y además se tiene una amenaza económica que es la entrada en vigencia de numerosos TLC2 firmados con nuestros similares de otros continentes y del nuestro también. Actualmente, el proceso de pelado se desarrolla en forma manual, aglutinando el producto en un manto para luego seleccionarlo, confiando en la buena destreza y capacidad del operario, que usa el tacto y la vista como única herramienta de trabajo.
7
En
nuestro
país
no
existe
tal
maquina
peladora
de
tuna
semiautomática, entonces el propósito de esta tesis es facilitar el pelado de la fruta de la tuna. En México es donde se aplicó un prototipo peladora de tuna, donde su eficiencia en comparación a ejecutarlo
manualmente
no
es
eficiente,
entonces
se
hizo
investigaciones para repotenciarlo y mejorar sus deficiencias y se optó hacer la máquina para un determinado tamaño del fruto y así mejorar la eficacia del mismo.
2.2. Conceptos Tecnológicos 2.2.1. La tuna La tuna (Opuntia ficus-indica L. Mil) es un recurso potencial de gran importancia en los sistemas agrosilvopastoriles de los andes peruanos. Esta cactácea se encuentra ampliamente distribuida en el Perú, específicamente en los valles interandinos donde ha encontrado las condiciones adecuadas para su establecimiento. Sus frutos son consumidos en forma natural por campesinos y locales y comercializados en los principales mercados del País, también
sirven
para
elaborar
productos
derivados
como
mermeladas y bebidas. Sus tallos son empleados como cercos vivos o como forraje para el ganado (especialmente en épocas de sequía). Los restos de las plantas podadas o muertas son utilizadas en la elaboración de fertilizantes orgánicos.
8
Pero sin duda, el uso más frecuente que se le da a esta planta es como hospedera para la crianza de un insecto conocido como cochinilla (Dactylopius coccus costa), en cuyo interior se produce el carmín, pigmento natural usado en la industria alimenticia, textil y farmacéutica. El Perú sigue siendo el primer productor de carmín a nivel mundial, aportando entre el 85 y 90% de la demanda internacional. Las zonas en las que se concentra la actividad productiva de cochinilla son principalmente: Arequipa, donde existe una producción tecnificada; Lima, con producción semi tecnificada y Ayacucho, donde la recolección de los insectos es artesanal. La tendencia mundial por el uso de productos naturales se ha incrementado de manera significativa, por lo cual la industria alimenticia requiere colorantes naturales. Esto puede explicar el crecimiento de la demanda de cochinilla en 15.71% anual en valor exportable; así para el 2006 se registró un ingreso por exportación de cochinilla de US$ 39.6 millones. Las exportaciones de tuna fruta aún son mínimas pero el consumo nacional y local, concentrado sobre todo en Lima, es de aproximadamente US$ 11.65 millones, con una demanda que crece en un 5% anual.
9
Fig. 2.1. Tuna de diferente peso especifico Fuente: Solid Perú
2.2.2. Flujo de la cadena de tuna y cochinilla En la cadena productiva de tuna fruta en Ayacucho y a nivel nacional se ha identificado los siguientes eslabones: producción, acopio y distribución, comercialización y consumo. Existiendo un total de 14 tipos de actores en estos eslabones. Para el caso de la cadena de cochinilla, los eslabones existentes son: producción, acopio de cochinilla, transformación – exportación y consumo internacional, con 12 tipos de actores directos. En este caso, el consumo está a nivel internacional y los demás eslabones están dentro de Perú.
10
Fig. 2.2. Flujo del Proceso de la Tuna Fuente: Talleres Participativos, entrevistas e información secundaria
2.2.3. Características y usos de la tuna
La tuna (Opuntia ficus-indica L. Mil) es un recurso de gran importancia en los sistemas agrosilvopastoriles de los andes peruanos. Es conocida con diferentes nombres en varios lugares del mundo: “tunal”, “tunera”, “nopal”, “chumbo”, “higo español”, “higo de india”, “tuna sin espina”, “tuna con espina”.
a) Clasificación taxonómica
Reino: Vegetal
División: Antophyta
Clase: Dicotiledónea
11
Subclase: Archyclamidea o Coripétala
Orden: Opuntiales (Cactales)
Familia: Opuntiaceae (Cactáceas)
Subfamilia: Opuntioideae
Género: Opuntia
Especie: Opuntia ficus indica
Sub
especie:
Opuntia
megacabtha
(tuna
sin
espina)
y
Ostreptocantha . b) Composición química y nutricional La tuna es una fruta muy cotizada por su sabor, aroma y características nutricionales. El principal aporte nutricional del consumo de tuna es en calorías, agua y un importante contenido de minerales, especialmente calcio y fósforo. Composición Nutricional de la Tuna Tabla Nº 1
12
Comparando el aporte nutricional de la tuna con otros frutos, se confirma que su aporte en proteínas, carbohidratos, calcio, fósforo y vitamina C es superior. Tabla Nº 2
c) Manejo Agronómico Para el manejo de esta planta se realizan las siguientes actividades de pre cosecha, cosecha y post cosecha. Actividad del proceso productivo de la tuna Tabla Nº 3
13
d) Importancia y usos de la tuna La tuna fruta se utiliza como alimento para ser consumida en fresco; la fruta madura se industrializa en jugos, mermeladas, frutas en almíbar, licores, etc., y los frutos verdes (dos meses de edad) sirven para elaborar fruta abrillantada en almíbar. Las pencas de la planta de tuna (llamadas en México “nopalitos”), cuando tienen entre 9 meses a dos años de edad, producen cochinilla. Las pencas con y sin espinas, con paja seca de cebada y trigo, se utilizan para alimentar animales (vacas, cabras, ovejas, cuyes, etc.) durante las épocas secas. Las pencas tiernas de dos y tres semanas se utilizan para preparar ensaladas y encurtidos. Las penas de uno o dos años se cortan en pequeños trozos, se dejan secar y se muelen para obtener harina para consumo humano y animal.
La tuna es un alimento con cualidades medicinales pues sirve para combatir o prevenir diferentes enfermedades10, así, el jugo de las flores sirve para combatir problemas diabéticos. La tuna posee además un mucílago depurador del colesterol e hipoglucémico (antidiabético); también tiene cualidades anti inflamatorias. La tuna fruta contiene minerales como Calcio (Ca), Fósforo (P) y vitaminas que ayudan en el funcionamiento fisiológico del organismo humano.
14
2.3. Estudio de mercado El centro de acopio de Tunas en el Anexo de Challaguaya; se realizó una inspección y se determinó la falta de tecnología para el pelado de tunas, pues no existe maquina alguna para tal proceso. Se obtuvo los datos históricos de producción de tuna en el distrito de Sitajara, como se muestra en el siguiente cuadro: Tabla Nº 4
Se realizó la proyección de producción de tunas hasta el año 2022, como se observa en el siguiente cuadro:
15
Tabla Nº 5
Se realizó el diseño conceptual de la máquina peladora, teniendo en cuenta el flujo general de procesos de clasificación de la fruta tuna, con la finalidad de lograr un diseño óptimo.
Se realizó los cálculos mecánicos para diseñar y seleccionar los materiales que se usarán en la fabricación de la máquina peladora de tunas: Selección del sistema motriz, diseño del eje conductor, dimensionamiento de cuñeros, selección de cojinetes, diseño estructural, se realizó el estudio de control de calidad, se realizó la distribución de la planta.
16
2.4. Teoría de Diseño 2.4.1. Diseño de ejes Son elementos que sirven para transmitir potencia y en general se llaman árboles a los ejes sin carga torsional, la mayoría de los ejes están sometidos durante su trabajo a cargas combinadas de torsión, flexibilidad y cargas axiales. Los elementos de transmisión: poleas, engranajes, volantes, etc., deben en lo posible estar localizados cerca a los apoyos.
2.4.2. Cálculo de ejes El diseño de ejes consiste básicamente en la determinación del diámetro adecuado del eje para asegurar la rigidez y resistencia satisfactoria cuando el eje transmite potencia en diferentes condiciones de carga y operación. Los ejes normalmente tienen sección transversal circular: macizos – huecos. Para el diseño de ejes, cuando están hechos de aceros dúctiles, se analizan por la teoría del esfuerzo cortante máximo. Los materiales frágiles deben diseñarse por la teoría del esfuerzo normal máximo. El código ASME define una tensión de corte de proyectos o permisible que es la más pequeña de los valores siguientes:
17
Si hay concentración de tensiones debido a un acuerdo o un chavetero, la norma dice que hay que disminuir en un 25% la tensión de corte permisible. La tensión de corte en un eje sometido a flexión y torsión viene dado por:
√ ( )
EL ESFUERZO DE TORSION
Para ejes macizos Para ejes huecos
EL ESFUERZO DE FLEXION:
ESFUERZOS
AXIALES
Para ejes macizos Para ejes huecos
(COMPRENSION
–
TRACCION)
Para ejes macizos
2.4.3. Selección de materiales para máquinas de industrias alimentarias El proceso de selección de materiales, implica un análisis entre las propiedades físicas y químicas del acero inoxidable. La “ingeniería” y la “higiene” no deben considerarse como entidades separadas,
18
sobre todo cuando se trata de la industria alimentaria. Presentamos algunas consideraciones para la selección de un acero inoxidable. Consideraciones para la selección de un acero inoxidable
a) Uso final El primer paso es investigar, sobre las condiciones a las que el material estará expuesto en la aplicación específica, para determinar el tipo de acero que puede aportar un mejor desempeño. En base a esto se evaluarán las siguientes consideraciones.
b) Resistencia a la corrosión Es una de las principales variables en la selección del material. El transformador debe conocer el medio bajo el cual será sometido el material.
c) Propiedades mecánicas La resistencia mecánica a bajas y a altas temperaturas es muy importante. La combinación de resistencia a la corrosión y mecánica es base para la selección del acero.
d) Características finales del producto Fabricación del producto, incluyendo todos los procesos a los que será sometido el material.
19
e) Costo total Un análisis del costo de ciclo de vida es recomendable, para evaluar
los
costos
del
material
y
aquellos
relativos
al
mantenimiento, reemplazo, vida en servicio, etc. f) Disponibilidad Es básico tomar en cuenta la disponibilidad del material.
g) Uso y mantenimiento Es altamente recomendable que se entregue al usuario final de la aplicación un listado de recomendaciones para el cuidado y mantenimiento del material como valor agregado al usuario que favorece al cumplimiento del desempeño esperado del material. Para confección de ejes y árboles, en la mayoría de los casos, en nuestro país se prefieren aceros según norma AISI. De tal manera que preferentemente se usan los siguientes aceros: AISI 1010 Y AISI 1020 para arboles poco cargados o de uso esporádico donde sea deseable un bajo costo de fabricación o cuando algunas partes de los elementos deban ser endurecidas mediante cementación
2.4.4. Selección y aplicación de motores eléctricos Todos sabemos que el motor eléctrico es una máquina que transforma energía eléctrica recibida de la red en energía mecánica
20
rotacional en el eje. De esta forma se puede accionar cualquier tipo de carga mecánica, siempre y cuando tengamos disponibilidad de una red eléctrica. También sabemos que dentro del universo del motor eléctrico, el motor de inducción es el más común y prácticamente todas las aplicaciones industriales pueden realizarse con este motor, generalmente el tipo Jaula de Ardilla, o con rotor en cortocircuito. Es tan generalizado su uso, que pasamos por alto muchos aspectos en el momento de la selección y aplicación del mismo. En las siguientes líneas se darán algunas indicaciones importantes que ayudarán a hacer estas labores más técnicas y más eficientes desde el punto de vista de operación de una industria.
2.4.5. Gestión inicial Siempre que se tiene la necesidad de adquirir un motor, hay que hacer antes los siguientes cuestionamientos:
¿Es una instalación nueva o existente?
¿Cuáles son las condiciones de la red eléctrica?
¿Cuál es la carga que el motor va a accionar?
¿Cuáles son las condiciones medioambientales?
¿Cuál va a ser el tiempo de recuperación de la inversión? ¿Qué tipo de normas debe cumplir el motor?
¿Cómo va a ser hecho el arranque del motor?
Obviamente, ¿Cuáles son las características de potencia y velocidad requeridas del motor?
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2.4.6. Por qué el motor jaula de ardilla Dentro del universo de motores eléctricos, el motor jaula de ardilla es el más común y de uso más generalizado por diversas razones:
Bajo costo
Bajo mantenimiento
Fácil de adquirir
Alto grado de protección
Pocos componentes
Robusto
2.4.7. Las normas Existen dos normas bajo las cuales se fabrican los motores. IEC Comisión Electrotécnica Internacional que es acogida por la gran mayoría de países y especialmente los europeos
NEMA
Asociación Nacional de Fabricantes de Equipos Eléctricos. Es una norma nacional de Estados Unidos, pero es común en muchos países. Hay varias diferencias en la construcción dependiendo de la norma, pero lo más significativo es que mientras que las dimensiones según IEC son en milímetros, según NEMA son en pulgadas. Por esta razón, la intercambiabilidad no es inmediata.
22
2.4.8. El lugar de instalación. Por norma, todos los motores están diseñados para operar en un ambiente con temperatura no superior a 40 ºC y en una altura no superior a 1000 metros sobre el nivel del mar. La instalación en cualquier ambiente por encima de estas condiciones hará que el motor deba ser operado a una carga menor de la nominal. Cortamente, esto sucede porque las propiedades refrigerantes disminuyen. La vida útil de un motor está principalmente en su devanado. Si la refrigeración es insuficiente, el devanado se debilita y sufre daños severos. Generalmente, los motores jaula de ardilla están refrigerados mediante aire. A mayor altitud sobre el nivel del mar, el aire toma una densidad mayor y a una misma velocidad, se tendrá menor flujo de aire. En cuanto a la temperatura ambiente, es necesario garantizar que el motor no tendrá una elevación de temperatura tal que lo haga tener un calentamiento por encima de su límite térmico (definido por su clase de aislamiento).
Pero la combinación de altitud y temperatura no siempre es desfavorable, pues en lugares como Bogotá en donde tenemos altitud de 2600 m, pero una temperatura ambiente de 20°C, podemos prácticamente decir que se compensa el efecto. Fig. 2.3.
23
Fig. 2.3. Mandos de Control Fuente: Norma Nema
2.4.9. Fajas de transmisión Se conoce como correa de transmisión a un tipo de transmisión mecánica basado en la unión de dos o más ruedas, sujetas a un movimiento de rotación, por medio de una cinta o correa continua, la
cual
abraza
a
las
ruedas
ejerciendo
fuerza
de fricción suministrándoles energía desde la rueda motriz. Es importante destacar que las correas de trasmisión basan su funcionamiento fundamentalmente en las fuerzas de fricción, esto las diferencia de otros medios de flexibles de transmisión mecánica, como lo son las cadenas de transmisión y las correas dentadas las cuales se basan en la interferencia mecánica entre los distintos elementos de la transmisión. Las correas de transmisión son generalmente hechas de goma, y se pueden clasificar en dos tipos: planas y trapezoidales.
24
Fig. 2.4. Transmisión por Polea
2.4.10. Diseño de tornillo sin fin En ingeniería
mecánica se
denomina
tornillo
sin
fin a
una
disposición que transmite el movimiento entre ejes que están en ángulo recto. Cada vez que el tornillo sin fin da una vuelta completa, el engranaje avanza un número de dientes igual al número de entradas del sinfín. El tornillo sin fin puede ser un mecanismo irreversible o no, dependiendo del ángulo de la hélice, junto a otros factores. Con el tornillo sin fin y rueda dentada podemos transmitir fuerza y movimiento entre ejes perpendiculares. La velocidad de giro del eje conducido depende del número de entradas del tornillo y del número de dientes de la rueda. Si el tornillo es de una sola entrada, cada vez que éste dé una vuelta avanzará un diente. La expresión por la que se rige este mecanismo es similar a la indicada anteriormente para las ruedas dentadas teniendo en
25
cuenta el número de entradas del tornillo como elemento motor en este caso Dónde:
n= número de vueltas. Z= número de dientes de la rueda conducida. e= número de entradas del tornillo sin fin. Teniendo en cuenta que e es mucho menor que z la relación de transmisión siempre será menor por lo que actuará como un reductor de velocidad.
Fig. 2.5. Transmisión por tornillo de potencia
2.4.11. Teoría y aplicación de soldadura La
idea
de
la
soldadura
por
arco
eléctrico, a
veces
llamada soldadura electrógena, fue propuesta a principios del siglo XIX por el científico inglés Humphrey Davy, pero ya en 1885 dos
26
investigadores rusos consiguieron soldar con electrodos de carbono. Cuatro años más tarde fue patentado un proceso de soldadura con varilla metálica. Sin embargo, este procedimiento no tomó importancia en el ámbito industrial hasta que el sueco Oscar Kjellberg inventó, en 1904, el electrodo recubierto. Su uso masivo comenzó alrededor de los años 1950.
Fig. 2.6. Soldadura por Arco Eléctrico Fuente: Soldexa
2.4.11.1. Función eléctrica del recubrimiento La estabilidad del arco para la soldadura depende de una amplia serie de factores, como es la ionización del aire para que fluya adecuadamente la electricidad. Para lograr una buena ionización se añaden al revestimiento del electrodo productos químicos consistentes en sales de sodio, potasio y bario, los cuales tienen una tensión de ionización baja y un poder termoiónico elevado.
27
2.4.11.2. Función física del recubrimiento El
recubrimiento,
también
contiene
en
su
composición
productos como los silicatos, los carbonatos, los óxidos de hierro y óxidos de titanio, que favorecen la función física de los electrodos, que facilitan la soldadura en las diversas posiciones de ejecución del soldeo.
2.4.11.3. Función metalúrgica de los recubrimientos Además
de
las
funciones
de
estabilizar
y
facilitar
el
funcionamiento eléctrico del arco y de contribuir físicamente a la mejor formación del cordón, el recubrimiento tiene una importancia decisiva en la calidad de la soldadura.
2.4.12. Rodamientos El elemento rotativo que puede emplearse en la fabricación del rodamiento, pueden ser: de bolas, de rodillos o de agujas. En los rodamientos el movimiento rotativo, según el sentido del esfuerzo que soporta, pueden ser axiales, radiales y axialesradiales. Un rodamiento radial es el que soporta esfuerzos radiales, que son esfuerzos de dirección normal a la dirección que pasa por el centro de su eje, como por ejemplo una rueda, es axial si soporta esfuerzos en la dirección de su eje, ejemplo en quicio, y axial-radial si los puede soportar en los dos, de forma alternativa o combinada.
28
La fabricación de los cojinetes de bolas o rodamientos es la que ocupa
en
tecnología
un
lugar
muy
especial,
dados
los
procedimientos para conseguir la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores fabricantes de ese tipo de rodamientos emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final es casi perfecto, también es atribuida la gravedad como efecto adverso.
2.4.12.1. Tipos de rodamientos Cada
clase
de
rodamientos
muestra
propiedades
características, que dependen de su diseño y que lo hace más o menos apropiado para una aplicación dada. Por ejemplo, los rodamientos rígidos de bolas pueden soportar cargas radiales moderadas así como cargas axiales pequeñas. Tienen baja fricción y pueden ser producidos con gran precisión. Por lo tanto, son preferidos para motores eléctricos de medio y pequeño tamaño. Los rodamientos de rodillos cilíndricos pueden soportar cargas radiales muy pesadas y son oscilantes, lo que les permite asumir flexiones del eje, entre dos rodamientos, que soportan un mismo eje. Estas propiedades los hacen muy populares para aplicaciones por ejemplo en ingeniería pesada, donde las cargas son fuertes, así como las deformaciones producidas por las cargas, en máquinas grandes es también habitual cierta desalineación entre apoyos de los rodamientos.
a) Rodamientos rígidos de bolas. Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operar en altas e incluso
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muy
altas
velocidades
y
requieren
poca
atención
o
mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su ventaja de precio, hacen a estos rodamientos los más populares de todos los rodamientos.
b) Rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular El rodamiento de una hilera de bolas con contacto angular tiene dispuestos sus caminos de rodadura de forma que la presión ejercida por las bolas es aplicada oblicuamente con respecto al eje. Como consecuencia de esta disposición, el rodamiento es especialmente apropiado para soportar no solamente cargas radiales, sino también grandes cargas axiales, debiendo montarse el mismo en contraposición con otro rodamiento que pueda recibir carga axial en sentido contrario.
c) Rodamientos de agujas
Son rodamientos con rodillos cilíndricos muy delgados y largos en relación con su menor diámetro. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos tienen una gran capacidad de carga y son eminentemente apropiados para las aplicaciones donde el espacio radial es limitado. Este tipo de rodamientos es comúnmente muy utilizado en los pedales para bicicletas.
30
d) Rodamientos de rodillos cónicos El rodamiento de rodillos cónicos, debido a la posición oblicua de los rodillos y caminos de rodadura, es especialmente adecuado para resistir cargas radiales y axiales simultáneas. Para casos en que la carga axial es muy importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es muy abierto. Este rodamiento debe montarse en oposición con otro rodamiento capaz de soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario. El rodamiento es desmontable; el aro interior con sus rodillos y el aro exterior se montan cada uno separadamente. Son los de mayor aplicación.
31
CAPITULO III 3. DISEÑO 3.1. Diseño de la navaja de pelado La herramienta de corte para el proceso de torneado, en este caso una navaja de pelado cumplir las siguientes características: 1. Ser capaz de cortar la cascara de la tuna en espiras conforme avanza a lo largo del eje longitudinal por la superficie del fruto. 2. Desprender la cascara de la pulpa conforme avanza la herramienta. 3. La navaja debe penetrar completamente el espesor de la cascara. 4. El material de la navaja debe ser de grado sanitario. Con estos cuatro requerimientos planteados para el diseño de la navaja , se obtuvo por medio de pruebas de prototipo construidos y probados en el taller mecánico la forma más funcional para el diseño final de la navaja .El diseño final de la navaja de pelado se presenta a continuación.
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Fig. 3.1. Navaja de Corte Fuente: Elaboración propia
La forma consiste en una navaja con filos laterales y una punta plana .El filo se encuentra a lo largo de toda la arista inferior de cada lado. Estos dos filos en la navaja, son los que penetran completamente el espesor de la cáscara y corta la tuna en forma de espiras conforme avanza sobre la misma. La otra parte que compone la navaja es la punta con que se ensambla sobre la punta plana a 45º, dicha forma tiene como propósito el desprendimiento y desalojo de la cáscara previamente cortada en espiras y cuenta con un filo en su arista inferior que es la que está en contacto con la cáscara. El proceso conjunto de pelado con esta navaja consiste en cortar la cáscara de la tuna en una espira con ayuda de los filos laterales de la navaja, desprender y desalojar la espira de cáscara cortada con ayuda de la punta con filo a 45º .Este proceso se repite consecutivamente por cada giro completo de la tuna mientras la navaja avanza desde el polo mayor con dirección al polo menor del fruto.
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3.2. Determinación de la fuerza necesaria para pelar la fruta de tuna Para continuar con el desarrollo del diseño detallado fue necesaria la obtención de un parámetro fundamental para el diseño de la máquina peladora de tunas. Este parámetro es la fuerza de corte de la navaja necesaria para penetrar el espesor de la cáscara de la tuna. En primer lugar, para determinar la distancia que la navaja debía penetrar dentro de la cáscara para asegurar el corte y pelado de cualquier espesor, se recurrió a la medición de espesor de cáscara realizada en la fase de caracterización del fruto. Como espesor promedio de cáscara se obtuvo 6.20 mm. Sin embargo al ser un valor promedio el espesor real de alguna tuna puede estar por encima o por debajo de este valor, para el caso de los espesores por debajo del promedio no se presenta problema para el pelado, para espesores mayores que sin duda pueden existir el problema que se puede presentar es que la navaja no atraviese todo la cáscara. Para asegurar que la distancia de penetración sea adecuada a esta distancia se le sumaron tres desviaciones estándares es decir 3*0.39 mm, obteniendo así una distancia de penetración necesaria de 7.37 mm y se decidió considerarla como 7.4 mm. Entonces se hizo un análisis por resultados en laboratorio se obtuvo lo siguiente. Con el fin de obtener el valor en N de la fuerza de corte requerida para penetrar la distancia suficiente para el pelado, se realizó un análisis estático del prototipo compuesto por el mango en madera y la navaja de acero, tomando en consideración las fuerzas y reacciones que actúan sobre ellos.
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El diagrama de cuerpo libre de la navaja con el mango se muestra a continuación.
Fig. 3.2. Diagramas de Cuerpo Libre
La fuerza indicada de 1.62 N corresponde al peso del mango y la navaja, la fuerza de magnitud de 8.63 N corresponde al peso requerido obtenido experimentalmente para la penetración de los 7.37 mm. Para la obtención de la fuerza de corte en el punto de contacto con el fruto, se analizaron las fuerzas actuando a lo largo de los ejes “x” y “y”,
además de una suma de momentos en A. Los cálculos se presentan a continuación:
∑ ∑ ∑
Ecuación
Suma de momentos en A para obtener
(1)
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Reemplazando en la ecuación 1:
A continuación se obtiene la potencia requerida del motor para realizar la operación de pelado de acuerdo a la fórmula para la obtención de la potencia en el torneado (Acosta, 2006).
(2.1)
Dónde: P =
Potencia requerida [kW]
Ks =
Esfuerzo especifico de Corte [
a =
Espesor de la viruta mm
s =
Ancho de la viruta [mm]
V =
Velocidad de corte [
Ef. =
Eficiencia de la transmisión en este caso tomada como 0.75
]
]
El valor de la eficiencia de la transmisión se tomó como 0.75 ya que de acuerdo a los parámetros dependientes del torneado, éste valor está entre el rango de (0.60.85) y se elige una eficiencia baja para asegurar que los cálculos arrojen un valor de potencia con un grado de seguridad para llevarlo a la práctica. Según el libro de Acosta, utilizamos la fórmula para calcular la Velocidad de corte.
(2.2)
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Con n=120 rpm y d=72.9 mm que es el diámetro máximo de la tuna, El Ks se obtiene de:
Donde q es la sección transversal de la viruta en
(2.3) es decir:
(2.4)
Y se tiene s = ancho de la cáscara, que en este caso es el avance, y a = espesor de la cáscara calculado para penetrar todo el espesor. s
=
5.75 mm
a
=
7.40 mm
( )
Sustituyendo los valores:
Dándole un factor de seguridad de 3 para que sea seguro el rendimiento de la maquina se obtiene una potencia de:
El torque generado sobre el motor con esta potencia se obtuvo de la siguiente manera (Mott, 1992):
T=
63000 * P
n
(2.5)
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Dónde: T =
Torque generado en lb-in
P =
Potencia requerida en HP
n =
rpm
3.3. Elección del motor de la porta tunas Con los requerimientos obtenidos para el pelado, se buscó un motor reductor; debido a las bajas rpm necesarias para acoplarse a la porta
tunas que hará girar a la tuna pues se encontrará montada en él. Los requerimientos principales eran:
120 rpm
0.0177 hp como potencia mínima
9.08 lbin como torque mínimo
Por razones de disponibilidad comercial y de costo mínimo, se seleccionó un motor cuyas características principales se muestran a
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continuación, demás características en apéndice B1:
Marca Dayton
Modelo V00323AF14
185 rpm
1/20 hp de potencia
12 lbin de torque
3.4. Diseño de los brazos giratorios Como se explicó en el diseño conceptual, la estructura principal consta de cuatro brazos distribuidos a 90º entre ellos y sujetados sobre una flecha central que les transmitirá el movimiento giratorio (Figura). Como dimensiones principales para este ensamble, se decidió que la circunferencia que dibujarán los cuatro brazos en su movimiento giratorio intermitente tenga un diámetro de 1.0 m, y su altura desde la base donde será montado hasta el punto medio de la sección rectangular del brazo sea de 1.05 m. Esta altura se decidió pues en ese punto se colocará el centro de la porta tunas que es donde el fruto será montado por el operario y se consideró una altura adecuada de trabajo
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Fig. 3.3. Brazos y Eje
El diseño detallado del brazo que soporta el motor y la porta tunas se basó en las propiedades mecánicas del material seleccionado para el mismo, debido a su costo y la disponibilidad en el mercado. El material seleccionado es un acero ASTM A500 grado B y sus propiedades físicas y mecánicas se presentan en el apéndice A2. El perfil elegido es un perfil rectangular PTR de 2.5 in de ancho por 3.0 in de alto, con un espesor nominal “t” de 1/8 in., las dimensiones están
dadas en pulgadas debido a que así es como se encuentra comercialmente. El brazo tiene un largo de 468.25 mm para que junto con en el bloque sobre el que estará soldado se logren los 500 mm de radio para la circunferencia que dibujarán los brazos. Para sustentar su elección se debió asegurar que los esfuerzos actuando sobre él no fueran críticos.
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Se comenzó realizando un diagrama de cuerpo libre del brazo junto con su motor, porta tunas y fruto (Figura 4.9), en él se observan las distancias que se tomaron como referencia para localizar las fuerzas.
Fig. 3.4. Diagrama de Cuerpo Libre
Fig. 3.5. Diagrama uno del brazo.
La fuerza de 26.5 N corresponde al peso del motor Pm y la fuerza Ft de 12.1 N a la suma de la fuerza de corte Fc requerida más la masa de la tuna Ftuna, considerado como 0.5 kg. El punto de aplicación de
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la fuerza para ambos casos se consideró en el punto más lejano al eje longitudinal del brazo, de acuerdo a la geometría del motor y la tuna, para someter al mismo al momento máximo ocasionado por ambas fuerzas. Al realizar el análisis estático del brazo para la obtención del esfuerzo máximo actuando en el mismo, se establecieron sus condiciones de frontera empotrándolo en un extremo y aplicando las fuerzas en el otro como se muestra en la figura 4.11, donde ahora Fr equivale a la suma de Ft y Pm y es igual a 38.6 N.
3.5. Diseño del Eje La fuerza Fr en cada Brazo es de 33.6 N , multiplicando por 4 que son el número de brazos y además por un factor de seguridad de 2 se obtiene:
F 1 = 4Fr *d *2
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Ahora se obtiene el momento flexionarte, M 0 = 4Fr *d *2 M 0 = 4(38.61 N )(0.4599 m)*2 = 142.08 N .m M 0 = 142 N .m
En segundo caso se analiza a flexión ocasionada por la misma carga anterior, pero analizando la flecha en posición horizontal y empotrándola para simular una condición de esfuerzo máximo.
M 1 = (154.44N )(1.0m) = 154.44N .m
Mx = M 1 + M 0 Mx = 154.44 N .m+ 142.08 N .m = Mx = 296.52 N .m
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s y = 59.3 MPa
Ahora se calcula el esfuerzo cortante provocado por T en el mismo punto,
t xy
= 14.1 MPa
s max = 29.6705MPa + 32.829MPa = 62.4995MPa s max = 62.5MPa s min = 29.6705MPa - 32.829MPa = - 3.1585MPa s min = - 3.1585MPa 4113.56MPa < 24806.25MPa Al comparar los esfuerzos se confirma que la pieza no fallará.
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CAPITULO IV 4. COSTOS 4.1. Análisis de costos Los costos no pueden diagnosticarse con toda seguridad, pero ellos nos dan una información confiable y nos sirve de apoyo útil para la planeación control y toma de decisiones administrativas.
4.2. Costos directos Los costos directos son los precios que tiene cada uno de los materiales empleados en la construcción de la maquina peladora de tunas. Cuadro Nº 4.1
Cantidad
Descripción
Unidad
Costo
Subtotal
unitario
(USD)
1
Acero inoxidable
UNI
130
130
2
Rodamientos 6203-Rs
UNI
5
10
1
Eje Acero 1018 ¾*14,5 cm
UNI
5
5
1
Polea aluminio de 16 cm
UNI
20
20
15
Electrodo E 308L-16
UNI
0.80
12
1
Banda 2L230
UNI
10
10
1
Motor 1/20 Hp 110/220 V
UNI
95
95
1
Acero Galvanizado 32*32
cm
15
15
1
Lija granulada N 16
UNI
40
40
TOTAL Fuente: Elaboración propia
$337
45
4.3. Costos indirectos Son todos los gastos correspondientes a la utilización de maquinaria, al costo de mano de obra; entre otros gastos que no se ven reflejados directamente en la construcción de la máquina.
4.4. Costo de maquinaria Es un valor por las horas de trabajo de cada máquina que fue necesaria para la construcción de nuestra propuesta. Cuadro Nº 4.2
Maquinaria
Costo/Hora
Horas empleadas
Subtotal (USD)
4
1
4
1.4
2
2.8
Taladro
2
1
2
Esmeril
1.5
2
3
Moladora
0.35
1
0.35
2
2
4
Dobladora Suelda Eléctrica
Cizalla Otros
30
TOTAL
46.15
Fuente: Elaboración propia
4.5. Costo mano de obra Son los gastos que corresponden a la mano de obra, entre otros gastos que no se involucra directamente, pero fueron necesarios para culminar con la construcción de la máquina.
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Cuadro Nº 4.3.
Nº de Trabajadores 1
Costo/Hora
Horas
Subtotal
empleadas (c/u)
(USD)
20
80
4
Total (USD) 80
Fuente: Elaboración propia
4.6. Costos varios Son aquellos costos de actividades paralelas y no directas necesarias para la realización del proyecto. Cuadro Nº 4.4.
Descripción
Costo (USD)
Transporte
20
Copias
10
Impresiones
20
Internet
20
Libros
10
Subtotal
80
15% otros
12
TOTAL
92
Fuente: Elaboración propia
Donde el costo indirecto total ( ecuación:
) se evalúan con la siguiente
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Dónde:
= Costo de maquinaria utilizada =Costo mano de obra
=Costos varios
4.7. Costo total de la construcción de la peladora de tuna La cantidad total gastada en la construcción de la maquina peladora de tuna se mide mediante la suma de los costos directos e indirectos; así tenemos: Dónde:
=Costo total =Costos directos =Costos indirectos
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CONCLUSIONES Para el desarrollo de este proyecto en un principio fue necesario conocer y obtener la información necesaria sobre la materia prima con la cual se trabajaría en este proyecto. En esta fase de antecedentes y caracterización del fruto de la tuna se logró obtener primero la información necesaria sobre su situación mundial y nacional para concluir que de acuerdo a la situación privilegiada en que se cuenta en nuestro país para el cultivo y producción de este fruto con respecto a todo el mundo, es necesario aprovechar estas ventajas no sólo en su producción natural sino más aún en su procesamiento, pues de lograrlo los beneficios se verían reflejados en el desarrollo y progreso de la industria agropecuaria y alimenticia del país y como consecuencia de la sociedad. Se lograron hacer todos los diseños detallados dándole un factor de seguridad a la maquina.
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ANEXOS Propiedades del Acero Inoxidable AISI 304 A-1
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A2 Propiedades del Nylamid NSM
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A-3 Motor Porta tunas
