DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
UES-FIA
Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Ingeniería Mecánica Diseño de Elementos de Maquinas III
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. Docente: Ing. José Francisco Zuleta Morataya
Integrantes: Gomez Gomez, Jacobo de Jesús Herrera Navarro, Jaime Alejandro Salguero Ramírez, Marvin Rene
Ciclo II-2014
Ciudad Universitaria, 12 de Diciembre de 2014
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Índice
Contenido 1.0
RECICLAJE DEL PLASTICO. ................................................................. .................................................................................................. ................................. 3
1.1 ANTECEDENTES DEL RECICLAJE R ECICLAJE DEL PLASTICO. ...................................................................... 3 1.1.1 ¿POR QUÉ
RECICLAR? .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 4
1.2 FUNDAMENTO TEORICO. ........................................................................................................ ........................................................................................................ 6 1.2.1 PLASTICOS. ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 6 1.2.2 TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET)................................................................................... 6 1.3 PROPIEDADES PR OPIEDADES DE LA MATERIA PRIMA. ................................................................................... ................................................................................... 7 1.3.1 PROPIEDADES PROP IEDADES DE LOS PLÁSTICOS. PL ÁSTICOS. ....................................................................................... ....................................................................................... 7 1.4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. .......................................................... ........................................................................................... ................................. 8 1.5 PROCESAMIENTO DE SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ..................................................... ..................................................... 9 2.0
MAQUINAS TRITURADORAS DE PLÁSTICO. ........................................................... .................................................................... ......... 10
2.1 IDENTIFICACIÓN DE PROTOTIPOS DE MAQUINARIAS AFINES. ............................................. 11 2.1.1 CARACTERISTICAS DE UNA MÁQUINA TRITURADORA DE PLÁSTICOS. .............................. 11 2.2 PROTOTIPO DE MAQUINA A DISEÑAR. DISEÑAR . ................................................................................. ................................................................................. 13 2.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRITURADOR. ................................................................................ 13 2.3 ESTABLECIMIENTO DE LA CARGA DE TRABAJO. ........................................................... .................................................................... ......... 14 2.4 CARGA DE TRABAJO A UTILIZAR. ............................................................ ........................................................................................... ............................... 15 3.0 ANÁLISIS DE DISEÑO DE MECANISMOS. ............................................................................... ............................................................................... 16 3.1 FUERZA DE CORTE. ..................................................................... ............................................................................................................... .......................................... 17 3.2 DISEÑO DE ENGRANES RECTOS. ........................................................................ ............................................................................................ .................... 18 3.3 DISEÑO DE EJE 1. ................................................................................................................... ................................................................................................................... 20 3.4 DISEÑO DE BANDA PLANA 1.............................................................................. 1.................................................................................................. .................... 25 3.5 DISEÑO DE VOLANTE. .................................................................. ............................................................................................................ .......................................... 27 3.6 DISEÑO DEL EJE 2 ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 28 3.7 SELECCIÓN DE COJINETE RODANTE. ..................................................................................... ..................................................................................... 34 3.8 SELECCIÓN DE CUÑA CUADRADA................................................ CUADRADA.......................................................................................... .......................................... 37 3.9 DISEÑO DE BANDA PLANA 2.............................................................................. 2.................................................................................................. .................... 38 3.10 DISEÑO DE EJE 3. ................................................................................................................. ................................................................................................................. 40 3.11 SELECCIÓN DE MOTOR. ............................................................ ....................................................................................................... ........................................... 44 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 49 ANEXOS ........................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................ ......... 50
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Índice
Contenido 1.0
RECICLAJE DEL PLASTICO. ................................................................. .................................................................................................. ................................. 3
1.1 ANTECEDENTES DEL RECICLAJE R ECICLAJE DEL PLASTICO. ...................................................................... 3 1.1.1 ¿POR QUÉ
RECICLAR? .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 4
1.2 FUNDAMENTO TEORICO. ........................................................................................................ ........................................................................................................ 6 1.2.1 PLASTICOS. ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 6 1.2.2 TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET)................................................................................... 6 1.3 PROPIEDADES PR OPIEDADES DE LA MATERIA PRIMA. ................................................................................... ................................................................................... 7 1.3.1 PROPIEDADES PROP IEDADES DE LOS PLÁSTICOS. PL ÁSTICOS. ....................................................................................... ....................................................................................... 7 1.4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. .......................................................... ........................................................................................... ................................. 8 1.5 PROCESAMIENTO DE SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ..................................................... ..................................................... 9 2.0
MAQUINAS TRITURADORAS DE PLÁSTICO. ........................................................... .................................................................... ......... 10
2.1 IDENTIFICACIÓN DE PROTOTIPOS DE MAQUINARIAS AFINES. ............................................. 11 2.1.1 CARACTERISTICAS DE UNA MÁQUINA TRITURADORA DE PLÁSTICOS. .............................. 11 2.2 PROTOTIPO DE MAQUINA A DISEÑAR. DISEÑAR . ................................................................................. ................................................................................. 13 2.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRITURADOR. ................................................................................ 13 2.3 ESTABLECIMIENTO DE LA CARGA DE TRABAJO. ........................................................... .................................................................... ......... 14 2.4 CARGA DE TRABAJO A UTILIZAR. ............................................................ ........................................................................................... ............................... 15 3.0 ANÁLISIS DE DISEÑO DE MECANISMOS. ............................................................................... ............................................................................... 16 3.1 FUERZA DE CORTE. ..................................................................... ............................................................................................................... .......................................... 17 3.2 DISEÑO DE ENGRANES RECTOS. ........................................................................ ............................................................................................ .................... 18 3.3 DISEÑO DE EJE 1. ................................................................................................................... ................................................................................................................... 20 3.4 DISEÑO DE BANDA PLANA 1.............................................................................. 1.................................................................................................. .................... 25 3.5 DISEÑO DE VOLANTE. .................................................................. ............................................................................................................ .......................................... 27 3.6 DISEÑO DEL EJE 2 ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 28 3.7 SELECCIÓN DE COJINETE RODANTE. ..................................................................................... ..................................................................................... 34 3.8 SELECCIÓN DE CUÑA CUADRADA................................................ CUADRADA.......................................................................................... .......................................... 37 3.9 DISEÑO DE BANDA PLANA 2.............................................................................. 2.................................................................................................. .................... 38 3.10 DISEÑO DE EJE 3. ................................................................................................................. ................................................................................................................. 40 3.11 SELECCIÓN DE MOTOR. ............................................................ ....................................................................................................... ........................................... 44 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 49 ANEXOS ........................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................ ......... 50
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1.0 RECICLAJE DEL PLASTICO. 1.1 ANTECEDENTES DEL RECICLAJE DEL PLASTICO. La historia del reciclaje se remonta muy atrás en el tiempo. De una u otra forma el aprovechamiento y reutilización de los materiales ha estado presente desde los comienzos de la historia del ser humano. Los arqueólogos han puesto fecha a ese comienzo, han encontrado evidencias del origen del reciclaje, saben que ya se practicaba alrededor de 400 A.C. y desde entonces se ha dado de muchas maneras. Sin embargo, el reciclaje tal y como lo conocemos hoy es algo que se ha producido en el último siglo, especialmente después de la segunda Guerra Mundial
La basura ha existido desde el momento en que el hombre apareció en este planeta: desde las primeras civilizaciones hasta las grandes ciudades de hoy en día, la basura ha sido un problema que ha ido incrementándose como se muestra en la fig.1. Desde la aparición del fuego la basura empezó a generarse de una forma más peligrosa. Después con el invento del papel la producción de residuos sólidos creció ya que durante siglos no se tuvo conciencia de cómo esto afectaba al planeta, pero después de varios años el problema se evidenció de una forma tal que el hombre tuvo que poner soluciones para contrarrestar el daño que ya había hecho a la naturaleza.
Fig. 1 Incremento de basura en las ciudades Una de las mejores soluciones frente al impacto ambiental del ser humano es el reciclaje. En el año de 1690 una familia llamada Rittenhouse realizó una especie de experimento en el que por primera vez se reciclaron materiales. Posteriormente en la ciudad de New York se abrió el primer centro de reciclaje oficial en los Estados Unidos.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Ya en 1970 se creó la Agencia de Protección Ambiental y se difundió con mayor interés el reciclaje.
Uno de los campos en que el gobierno motivaba a la población para que ayudase a sus héroes era el de ahorrar y reciclar material. Se les decía que si donaban una pala, con ella se podrían fabricar granadas de mano o piezas de un tanque; con los tubos de pintalabios se podían hacer cartuchos de bala, y hasta el papel de aluminio de los chicles podía valer para la construcción de aviones. Y así fue, muchos americanos colaboraron en su deber patriótico y numerosas donaciones de cacerolas, sartenes y otros objetos cotidianos de aluminio se reciclaron para convertirse en cazas y bombarderos. En tiempos de guerra el aluminio era un metal escaso y la práctica totalidad del disponible se remitía a la industria bélica de la aviación, pero cualquier metal era bien recibido
1.1.1 ¿POR QUÉ RECICLAR? En la sociedad actual en la que vivimos, el aumento del consumo nos proporciona muchas ventajas que todos finalmente deleitamos, no obstante, ni siquiera pensamos que todo esto trae consigo obligaciones y responsabilidades que todos debemos asumir; debido a que cada vez es más la cantidad de basura generamos y por ende mayor el perjuicio a la naturaleza por el uso sin conciencia de recursos naturales no renovables. Sin duda, todos y cada uno de nosotros podemos contribuir sencillamente sencillamente con las 3R, como se muestra en la fig. 2:
Fig. 2 Esquema de Reciclaje Reducir: procurar reducir el volumen de productos que consumimos, ya que muchas veces adquirimos cosas que no son realmente necesarias y no pensamos que para su fabricación utilizan materia prima como el petróleo y el agua.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Reusar: se trata de reutilizar el mayor número posible de objetos con el único fin de generar menos basuras, podemos reutilizar el papel, los juguetes, libros, entre otros. Reciclar: consiste en fabricar nuevos productos utilizando material obtenido de otros viejos. Para que los productos se puedan reciclar debemos separarlos.
Estas son las tres acciones acciones que debemos agregar agregar a nuestro estilo de vida, ya que con el adecuado proceso de los residuos domiciliarios, ayudamos a disminuir los niveles de contaminación ambiental, preservamos la naturaleza, cuidamos los recursos no renovables, ahorramos energía y mantenemos limpio nuestro entorno.
¿Por qué el símbolo de reciclaje tiene tres flechas en ciclo? Cada flecha de la fig. 3 representa un paso en un proceso de tres que completa el circuito de reciclado.
Fig. 3 Flechas de Reciclaje 1- La primera flecha es el paso de recolección 2- La segunda flecha es el proceso en el cual las materias reciclables reciclables se convierten en nuevos productos. 3- La tercera flecha representa el paso donde los consumidores compran productos hechos con materiales reciclados. Los productos reciclados tienen beneficios: * Reducción del volumen de residuos, y por lo tanto de la contaminación que causarían (algunas materias tardan decenas de años e incluso siglos en degradarse) * Preservación de los recursos naturales, pues la materia reciclada se reutiliza * Reducción de costes asociados a la producción de nuevos bienes, ya que muchas veces el empleo de material reciclado reporta un coste menor que el material virgen.
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1.2 FUNDAMENTO TEORICO. 1.2.1 PLASTICOS. Los plásticos son materiales orgánicos formados por polímeros constituidos por largas cadenas de átomos que contienen fundamentalmente carbono. Otros elementos que contienen los plásticos pueden ser oxígeno, nitrógeno, hidrogeno y azufre. Los plásticos dependiendo de su procedencia pueden ser: -Naturales: si se obtienen directamente de materias primas vegetales como por ejemplo la celulosa, que se encuentra en las células de las plantas, el Celofán que se obtiene disolviendo fibras de madera, algodón y cáñamo o el látex que se obtiene del jugo de la corteza de un árbol tropical. - Sintéticos (artificiales): los que se elaboran a partir de compuestos derivados del petróleo, el gas natural o el carbón. La mayoría pertenece a este grupo.
1.2.2 TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET). Polietileno Tereftalato, más conocido como PET, es un poliéster que forma parte de la familia de los plásticos termoformables (o termoplásticos) fácilmente moldeables cuando se le aplica el nivel de temperatura correspondiente. Por este motivo el PET puede adaptarse a cualquier forma y diseño, además de contar con un gran potencial de aplicaciones. La botella de plástico es muy utilizada en la comercialización de líquidos en productos como de lácteos, bebidas o limpia hogares. También se emplea para el transporte de productos pulverulentos o en píldoras, como vitaminas o medicinas. Sus ventajas respecto al vidrio son básicamente su menor precio y su gran versatilidad de formas.
Fig. 4 Recipientes de PET
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA El plástico se moldea para que la botella adquiera la forma necesaria para la función a que se destina. Algunas incorporan asas laterales para facilitar el vertido del líquido. Otras mejoran su ergonomía estrechándose en su parte frontal o con rebajes laterales para poder agarrarlas con comodidad. Las botellas con anillos perimetrales o transversales mejoran su resistencia mecánica al apilamiento. Las estrechas y anchas mejoran su visibilidad en el lineal al contar con un facing de mayor superficie. El tapón de rosca, también de plástico, es el cierre más habitual de las botellas de plástico. Su diseño puede incrementar sus funcionalidades actuando como difusor en spray, dispensador de líquido, medida de dosificación o asidero, en este caso, por ejemplo, para garrafas pesadas.
1.3 PROPIEDADES DE LA MATERIA PRIMA. 1.3.1 PROPIEDADES DE LOS PLÁSTICOS. El PET es duro, estable dimensionalmente que sólo absorbe muy poca agua. Tiene buenas propiedades de protección y una buena resistencia química excepto a los alcalís (que le hidrolizan). Su cristalinidad varía de amorfo a muy cristalino; puede ser muy transparente e incoloro pero secciones gruesas suelen ser opacas y blanquecinas.
Fig. 5 Propiedades de PET Presenta como características más relevantes:
Alta transparencia, aunque admite cargas de colorantes. Alta resistencia al desgaste y corrosión. Muy buen coeficiente de deslizamiento. Buena resistencia química y térmica. Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2 y humedad.
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Compatible con otros materiales barrera que mejoran en su conjunto la calidad barrera de los envases y por lo tanto permiten su uso en mercados específicos. Reciclable, aunque tiende a disminuir su viscosidad con la historia térmica. Aprobado para su uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios.
1.4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. Las botellas de plástico se fabrican en gran variedad de materiales, escogidos en función de su aplicación. Polietileno de Alta Densidad. PEAD es la resina más extendida para la fabricación de botellas. Este material es económico, resistente a los impactos y proporciona una buena barrera contra la humedad. PEAD es compatible con una gran variedad de productos que incluyen ácidos y cáusticos aunque no con solventes. PEAD es naturalmente traslúcido y flexible. La adición de color puede convertirlo en opaco pero no en un material brillante. Si bien proporciona buena protección en temperaturas bajo el nivel de congelación, no puede ser utilizado para productos por encima de 71.1°C o para productos que necesitan un sellado hermético. Polietileno de baja densidad. La composición del PEBD es similar al PEAD. Es menos rígido y, generalmente, menos resistente químicamente pero más traslúcido. También es significativamente más barato que el PEAD. PEBD se usa fundamentalmente, para bebidas. Politereftalato de etileno. El politereftalato de etileno (PET) se usa habitualmente para bebidas carbonatadas y botellas de agua. PET proporciona propiedades barrera muy buenas para el alcohol y aceites esenciales, habitualmente buena resistencia química (aunque acetonas y cetonas atacan el PET) y una gran resistencia a la degradación por impacto y resistencia a la tensión. El proceso de orientación sirve para mejorar las propiedades de barrera contra gases y humedad y resistencia al impacto. Este material no proporciona resistencia a aplicaciones de altas temperaturas Max. Temp. 160 °F (71.1 °C). Policloruro de vinilo. PVC es naturalmente claro, tiene gran resistencia a los aceites y muy baja transmisión al oxígeno. Proporciona una barrera excelente a la mayoría de los gases y su resistencia al impacto por caída también es muy buena. Este material es resistente químicamente pero vulnerable a solventes. PVC es una elección excelente para el aceite de ensalada, aceite mineral y vinagre. También se usa habitualmente para champús y productos cosméticos. PVC exhibe poca resistencia a temperaturas altas y se degrada a 160 °F (71.1 °C) haciéndolo incompatible con productos calientes. Polipropileno. El polipropileno (PP) se usa sobre todo para jarras y cierres y proporciona un embalaje rígido con excelente barrera a la humedad. Una de las
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA mayores ventajas del polipropileno e su estabilidad a altas temperaturas, hasta 200 °F. El polipropileno ofrece potencial para esterilización con vapor. La compatibilidad del PP con altas temperaturas explica su uso para productos calientes tales como el sirope. PP tiene excelente resistencia química pero tiene escasa resistencia al impacto en temperaturas frías. Esta hecho por petróleo. Poliestireno. Ofrece excelente claridad y rigidez a un coste económico. Generalmente, se usa para productos secos como vitaminas, gelatina de petróleo o especias. El poliestireno no proporciona buenas propiedades barrera y muestra poca resistencia al impacto.
1.5 PROCESAMIENTO DE SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA. La trituración empezó a desarrollarse en los años 70, cuando algunos países comenzaron a incinerar los residuos plásticos. 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 esta 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.
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Fig. 6 Fase de la trituración del plástico
1.0 MAQUINAS TRITURADORAS 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.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA 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. 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.
2.1 IDENTIFICACIÓN DE PROTOTIPOS DE MAQUINARIAS AFINES. 2.1.1 CARACTERISTICAS DE UNA MÁQUINA TRITURADORA DE PLÁSTICOS. Se trata de un triturador con cuchillas rotativas, especialmente estudiado para las pequeñas y medianas empresas. Esta máquina tiene por función reducir toda clase de desechos con el fin de poderlos meter en sacos. La potencia eléctrica necesaria es muy pequeña y esta trituradora, de gran fiabilidad, es muy silenciosa, gracias al empleo de un limitador de función de los productos a destruir. Puede ser utilizado en las industrias de plástico, embalaje, cartón, madera, huesos de fruta, desechos de cuero y pile, cortezas, etc. Se puede conectar a una red de aspiración por medio de un tubo situado en la parte inferior de aparato. Características comunes. El accionamiento de la máquina se obtiene por medio de un motor; los ejes portafresas y los conductores están unidos mediante engranajes en baño de aceite. Cada máquina está equipada con un juego de llaves aptas a desmontar las fresas cuando sea preciso afilarlas. Un manual técnico explica claramente las modalidades de ejecución de esta operación.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Todos los modelos están equipados con una criba cuyo tamaño puede ir de 14 a 38 mm obteniendo así los distintos tamaños de partículas trituradas. Naturalmente cuando más fina sea la trituración deseada, menor será la producción de la máquina.
Estas máquinas presentan además las particularidades siguientes: Nivel acústico de trabajo inferior a 80 db: por lo tanto las trituradoras son silenciosas. Facilidad de acceso a los discos de trituración y de arrastre para facilitar las operaciones de mantenimiento. intercambiabilidad de los discos directamente realizable por el usuario. Consumo de energía reducido. Posibilidad de triturar cualquier material no ferroso, incluso si contiene algún clavo o trozos de alambre metálico, o bien piedras.
Pos. 1 2 3 4 5 6 7 8
Descripción Tolva de alimentación Cuerpo máquina Reductor epicicloidal Motor Cajón recogida Base Cuadro eléctrico Conexión aspiración (sector madera)
Fig. 7 Trituradora de plástico
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2.2 PROTOTIPO DE MAQUINA A DISEÑAR. Descripción: Se pretende diseñar transmisión por bandas y por engranes rectos, al igual que se seleccionarán cojinetes y motor eléctrico con el cual operara la máquina y demás componentes como volantes de inercia, poleas, cañeros. Características principales:
Potencia instalada en el rotor: 2 hp Transmisión: por correas n°. rotores: 1 Producción: 80-150 kg/hora Cintas de carga; Tolva intercambiable; Criba intercambiable; Sistemas de confección del material triturado;
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRITURADOR.
Robusto bastidor de acero; Soportes para rodamientos de rodillos en rótula con sistema de estanqueidad contra polvos y líquidos; Contra-lamas ajustables de acero anti desgaste altamente ligado; Sistema de transmisión por poleas para evitar que las vibraciones del rotor puedan dañar los partes mecánicas;
Dibujo esquemático del prototipo.
Fig. 8 Triturador de plástico vistas de perfil
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2.3 ESTABLECIMIENTO DE LA CARGA DE TRABAJO. La carga de trabajo va estar en función de las cantidades de materia prima a procesar por hora. Peso de botella (1 litro ) 40 gr
Proceso de botellas por hora 2000 botellas /hr
Procesamiento de materia prima por hora 80 kg/hr
Variables de entrada:
Botellas PET con tapa. Tamaño mínimo de envase: 192 cm3. Tamaño máximo de envase: 1000 cm3. Posibilidad de recibir botellas aplastadas.
Variables de salida:
Obtención de hojuelas o flakes de ½” o menor.
Planteo y Análisis de Datos Producción horaria: 80 kg/hr. Tiempo máximo de ciclo por botella: 1.80 segundos Obtención de hojuelas de 1” o menos. Capacidad de almacenamiento: de 0.7 m 3 Tamaño mínimo de envase: 192 cm3. Tamaño máximo de envase: 1000 cm3. Definición del Proceso
El proceso por el cual, partiendo de envases de PET, llegamos a obtener hojuelas, es el de trituración. Para ello planteamos que el diseño tenga: Sistema de carga Sistema de trituración. Sistema de descarga. Sistema de almacenamiento si fuese posible.
Características del material a triturar Peso de cada envase: 10 a 40 gramos Densidad de 1,34 g/cm 3
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2.4 CARGA DE TRABAJO A UTILIZAR. 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 a través de la prueba Izod NII. Ensayo de impacto Izod es una ASTM método estándar para determinar la resistencia al impacto de materiales. Un brazo se mantiene a una altura específica (constante de energía potencial ) se libera. A partir de la energía absorbida por la muestra, su energía de impacto se determina. Una muestra con muescas se utiliza generalmente para determinar la energía del impacto y la sensibilidad a la entalla.
Fig. 9 Resistencia al impacto Izod. La prueba es similar a la prueba de impacto Charpy , pero utiliza una disposición diferente de la muestra bajo prueba. El ensayo de impacto Izod difiere de la prueba de impacto Charpy en el que la muestra se mantiene en una configuración de viga en voladizo en oposición a una de tres punto de configuración de flexión. Atreves de este ensayo la energía es E=0.285j y se requiere una fuerza de 14.89N. Según un estudio de polímeros realizado por el Instituto Tecnológico de Celaya al PET. Carga de trabajo de la cuchilla 14.89N
Carga procesada por hora 80 kg/hr
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Botellas procesadas por hora de un litro 2000 botellas /hr
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3.0 ANÁLISIS DE DISEÑO DE MECANISMOS. A continuación se muestra un modelo de los diferentes elementos de máquina de la trituradora a diseñar.
Fig. 10 Vista de transmisión de la trituradora de plástico
Fig. 11 Vista Equivalente de la Trituradora de plástico
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3.1 FUERZA DE CORTE. DISEÑO DE CUCHILLA. La fuerza de corte está definida a través de estudios y ensayos que se ha realizado, para este tipo de máquina, para triturar el plástico se necesita una fuerza de 35 Newton, en base a esta fuerza se realizaran los análisis de los elementos mecánicos que conformaran la máquina. A continuación se muestra la figura en vista lateral de la cuchilla. Fuerza usada tomada de las pruebas Izod del Pet. Acero utilizado para la cuchilla es un SISA D2 propiedades anexos tabla 1 NOTA. LAS TABLAS A UTILIZAR SE ENCUENTRAN AGREGADAS EN LOS ANEXOS.
Fig. 12 D.C.L. de la cuchilla en el eje Atraves de la Resistencia al impacto Izod (J/m), se determina la fuerza de corte para las cuchillas de la trituradora. Pruebas = (35J/m)
∑ El torque del engrane será ocho veces el torque de la cuchilla ya que son ocho cuchillas.
; Torque de arranque de cuchilla
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3.2 DISEÑO DE ENGRANES RECTOS. Se asume un diámetro de engranes en base a las dimensiones de la máquina. Del traslape de las cuchillas que es de 2.5 cm se obtiene la relación de engranes que es la relación entre cuchillas traslapadas.
Fig. 13 D.C.L. de engrane recto
Debido a que es la misma relación de velocidad, los diámetros de los engranes son:
Se procede a calcular el paso del engrane:
El ancho del engrane está definido a través del siguiente margen:
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Determinación del material del engrane AGMA
El ángulo de presión para este tipo de engrane es:
Factor de confianza
Factor de aplicación Factor de tamaño
Determinación de J (Factor Geométrico)
Factor de seguridad, y selección de acero. De tabla 6 se lee:
La fuerza tangencial es
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Angulo de presión = 20º La fuerza radial es
3.3 DISEÑO DE EJE 1. El eje poseerá 8 cuchillas y un engrane, a continuación se presenta el siguiente análisis para su diseño. Plano X-Y Las fuerzas que actúan en el plano x-y son las de las 8 cuchillas y la fuerza tangencial en el engrane y las reacciones en los cojinetes.
Fig. 14 D.C.L. de cargas actuando en el eje Calculo de reacciones en cojinetes.
∑ 20
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∑ DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
PUNTO 1 PUNTO 2
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Plano X-Z Las fuerzas que actúan en el plano x-z son la fuerza radial del engrane y las reacciones en los cojinetes.
Fig. 15 D.C.L. de cargas actuando en el eje Calculo de reacciones en cojinetes:
∑ ∑ Calculando momentos máximos. Punto 2
√ Punto 1.
√ 22
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DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR PUNTO 2
PUNTO 1
Análisis de Esfuerzos. Punto 2.
Punto 1
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De tabla 2 se lee:
Punto a torsión.
De tabla 2 se lee
Límite de Fatiga. (Evaluación a Flexión) Asumiendo Acero 1010 AISI
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Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
3.4 DISEÑO DE BANDA PLANA 1.
Fig. 16 Banda plana 1 ubicada en polea 1 y polea 2 La potencia consumida en el primer eje más la potencia consumida en el segundo eje es la que entra a lado de la polea
Una eficiencia de transmisión
para bandas planas
25
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
Longitud de Banda.
Para Agitadores, Bombas, Ventiladores, Trasportadores Ks=1.1 trabajando 6-15 horas.
Banda Plana de poliamida. De tabla 5 se lee:
Asumiendo basándose en el máximo radio de la polea mayor C= 20
Factor de seguridad de la banda
26
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA De tabla 5 se lee:
Se verifica
No desliza.
3.5 DISEÑO DE VOLANTE. Para maquinaria de corte
De ecuaciones
Calculo de torque medio.
Calculo de inercia del volante.
Asumiendo K=1.12 b=2 in
27
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
Acero
104.95 lb.in
3.6 DISEÑO DEL EJE 2 Análisis de fuerzas en la polea.
Fig. 17 D.C.L. de cargas actuando sobre la polea
Calculando velocidad tangencial
28
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Plano X-Y
Fig. 18 D.C.L. de cargas actuando sobre el eje Análisis de Engranes rectos. Se asume un diámetro de engranes en base a las dimensiones de la máquina.
La fuerza tangencial es
Angulo de presión = 20º La fuerza radial es
Fuerza y toque de corte: Fuerza de la Banda
Calculo de reacciones en cojinetes:
∑ ∑ 29
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
PUNTO 3 PUNTO 2 PUNTO 1
30
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Plano X-Z
Fig. 19 D.C.L. de cargas actuando sobre el eje Calculo de reacciones en los cojinetes:
∑ ∑ DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
31
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
PUNTO 3
PUNTO 2 PUNTO 1
Calculando momentos máximos. Punto 1
√ Punto 2
√ Punto 3
√ Análisis de Esfuerzos. Punto 1
32
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Punto 2
De tabla 2 se lee:
q= 0.85 Kt= 2.7
Punto 3
Punto a torsión.
De tabla 2 se lee:
q= 0.86 Kt= 1.85
33
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Límite de Fatiga. (Evaluación a Flexión) Asumiendo Acero 1010 AISI
̀ ̀ 0.89
Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
3.7 SELECCIÓN DE COJINETE RODANTE. Para eje 1. Se va analizar el cojinete donde está la fuerza radial mayor. Fuerza resultante sobre el cojinete:
√
La fuerza equivalente sobre el cojinete viene dada por: Dónde:
Factor de rotación V=1.0
(Pista interna rotando)
Entonces:
Calculando la carga dinámica sobre el cojinete mediante:
[] 34
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Dónde: Vida útil de diseño:
De tablas para Maquinas industriales en general:
Tipo de rodamientos:
k=3
(Rodamiento de bola)
Sustituyendo:
Por lo tanto se necesita un cojinete capaz de soportar una carga dinámica mayor a 767.27 lb se selecciona para el cojinete C: De tabla 8 se lee: Cojinete 6204 de la serie de cojinetes 6200 Para cojinete 6204 se observa el diámetro interno del cojinete, posee un diámetro mayor al calculado anteriormente para el eje, por lo tanto el nuevo diámetro será:
El nuevo cambio de sección será: 22 mm Rediseñando el eje 2 con el nuevo diámetro de 20 mm Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
Por lo tanto el material a elegir será AISI 1006 HR, ya de que presenta un Su=300 Mpa.
Para eje 2. Se va analizar el cojinete donde está la fuerza radial mayor. Fuerza resultante sobre el cojinete:
√
La fuerza equivalente sobre el cojinete viene dada por: Dónde:
Factor de rotación V=1.0
Entonces:
35
(Pista interna rotando)
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Calculando la carga dinámica sobre el cojinete mediante:
Dónde: Vida útil de diseño:
[]
De tablas para Maquinas industriales en general:
Tipo de rodamientos:
k=3
(Rodamiento de bola)
Sustituyendo:
Por lo tanto se necesita un cojinete capaz de soportar una carga dinámica mayor a 922.81 lb se selecciona para el cojinete C: De tabla 8 se lee: Cojinete 6205 de la serie de cojinetes 6200 Para cojinete 6205 se observa el diámetro interno del cojinete, posee un diámetro mayor al calculado anteriormente para el eje, por lo tanto el nuevo diámetro será:
El nuevo cambio de sección será: 27.5 mm Rediseñando el eje 1 con el nuevo diámetro de 25 mm Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
Por lo tanto el material a elegir será AISI 1006 HR, ya de que presenta un Su=300 Mpa.
36
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
3.8 SELECCIÓN DE CUÑA CUADRADA. CUÑERO QUE LLEVARA LAS CUCHILLAS, ENGRENA Y POLEAS. Para eje 1. Calculando el Torque:
Diámetro en la sección del eje
Fig. 20 D.C.L. de cargas
El material del eje 2 es Acero 1006 HR
Se empleara un factor de seguridad
La falla por cortante a lo largo del área creara un esfuerzo
Se elige una cuña cuadrada de
Para eje 2. Calculando el Torque:
Diámetro en la sección del eje
37
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA El material del eje 2 es Acero 1006 HR
Se empleara un factor de seguridad
La falla por cortante a lo largo del área creara un esfuerzo
Se elige una cuña cuadrada de
3.9 DISEÑO DE BANDA PLANA 2. Se supondrá una velocidad de motor de 870 rpm (n1). La velocidad del eje de transmisión es de 450 rpm (n2). Suposiciones: Eficiencia de transmisión
Diámetro = 4 pulg. Distancia entre centros (C)= 8 pulg.
Calculando la velocidad tangencial de la banda.
38
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Calculando potencia del motor.
Calculando ángulos de contacto.
Longitud de Banda.
Procedimiento según Shigley. Banda de Poliamida. (A-3)
De tabla 5 se lee:
39
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
Calculando coeficiente de fricción.
Se verifica
No desliza.
3.10 DISEÑO DE EJE 3.
Fig. 21 D.C.L. de cargas actuando sobre el eje Calculo de reacciones sobre el cojinete
∑ ∑
40
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR
41
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Análisis de Esfuerzos. Analizando momento máximo. Punto 1
Punto a torsión.
Límite de Fatiga. (Evaluación a Flexión) Asumiendo Acero 1010 AISI
̀ ̀ 0.89
Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
42
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Selección de cojinete Se va analizar el cojinete donde está la fuerza radial mayor. Fuerza resultante sobre el cojinete:
√
La fuerza equivalente sobre el cojinete viene dada por: Dónde:
Factor de rotación V=1.0
(Pista interna rotando)
Entonces:
Calculando la carga dinámica sobre el cojinete mediante:
Dónde: Vida útil de diseño:
[]
De tablas para Maquinas industriales en general:
Tipo de rodamientos:
k=3
(Rodamiento de bola)
Sustituyendo:
Por lo tanto se necesita un cojinete capaz de soportar una carga dinámica mayor a 2,536.68 lb se selecciona para el cojinete C: De tabla 8 se lee: Cojinete 6206 de la serie de cojinetes 6200 Para cojinete 6206 se observa el diámetro interno del cojinete, posee un diámetro mayor al calculado anteriormente para el eje, por lo tanto el nuevo diámetro será:
Rediseñando el eje 3 con el nuevo diámetro de 30 mm Asumiendo un factor de seguridad de 3 y utilizando teoría de Goodman.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
Por lo tanto el material a elegir será AISI 1006 HR, ya de que presenta un Su=300 Mpa.
3.11 SELECCIÓN DE MOTOR.
Fig. 22 Máquina Trituradora Calculo de inercias.
44
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
Debido a que los engranes son iguales:
Para el volante se calculó:
) ( ) ( 45
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
) (
Se utilizó eficiencias de transmisión para engranes y bandas de La inercia equivalente del sistema será:
El torque nominal se calcula por la siguiente ecuación:
se multiplica por 8 debido a que son 8 cuchillas.
Por medio de este torque a plena carga se selecciona un motor de 2 HP. Se lee en tablas el
Se procede a calcular el tiempo de arranque.
46
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA Se selecciona un motor WEG W22 (2hp, 870 rpm, 3 fases, 460V).
Fig. 23 Motor de inducción
Aplicaciones Bombas, ventiladores, trituradoras, transportadores, máquinas herramientas, aplicaciones de fresado, máquinas centrífugas, prensas, elevadores, telares, molinos, carpintería, refrigeración, equipos de envasado, otras aplicaciones de servicio severo.
Características WEG Propósito General Motors, 3 fases, de hierro fundido, de alta eficiencia, TEFC Especificaciones técnicas Marca Número de modelo HP RPM MARCO VOLTAJE FASE FRECUENCIA RECINTO PESO APROXIMADO (lb) PIES CAJA TERMINAL BRIDA CORRIENTE NOMINAL ROTOR BLOQUEADO EN ACTUAL IL Corriente de rotor bloqueado Par de rotor fijo PAR DE DISTRIBUCIÓN EFICIENCIA 50 EFICIENCIA 75 EFICIENCIA 100 FACTOR DE POTENCIA 50 FACTOR DE POTENCIA 75
WEG Motors 00209EP3E213T-W22 2 HP 870 213T 460 V TRES 60 Hz TEFC 141 SÍ IZQUIERDA 03:46 El 6.6 El 22,8 2.4 2.9 78.5 81.5 82.5 0.47 0.53
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA FACTOR DE POTENCIA 100 FACTOR DE SERVICIO INERCIA Kgm2 INERCIA SQ FT LB TIEMPO DE ROTOR BLOQUEADO NIVEL DE RUIDO ALTITUD CICLO DE TRABAJO AMBIENTE TEMPERATURA GRADO DE PROTECCIÓN Corriente sin carga Clase de aislamiento CARGA COMPLETA DE PAR NM Par a plena carga LB FT SLIP DISEÑO Aumento de la temperatura RODAMIENTOS DE RODAMIENTOS ECM Reengrase INTERVALO DE Reengrase INTERVALO ECM GREASE CANTIDAD DE GREASE CANTIDAD ECM
0.66 1.25 0.05019 Condado 1,1910 pies cuadrados 43 s 52 dB (A) 1000 S1 -20C - + 40C IP55 2.75 F 16,1 Nm 11.9 .ft 0.0333 B 80 K 6308 ZZ 6207 ZZ -
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
BIBLIOGRAFIA
Diseño de Maquinaria, Cuarta Edición, Robert L. Norton. Diseño de Elementos de Máquinas, Cuarta Edición, Robert L. Mott http://es.wikipedia.org Diseño en Ingeniería Mecánica, Shigley
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA
ANEXOS TABLA 1, Tipo de acero utilizado para la cuchilla.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA TABLA 2, Los concentradores de esfuerzos para el análisis de los ejes.
TABLA 3, Tipos de aceros de uso comercial.
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DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA TABLA 4, Diseño de las bandas poliamida A-3.
TABLA 5, Diseño de las bandas poliamida A-3.
52
DISEÑO DE MAQUINA PARA TRITURAR PLASTICO DE DESECHO. UES-FIA TABLA 6, Diseño de engranes y selección de material.
TABLA 7, Factor de fatiga el diseño de ejes.
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