UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Diseño de una conchadora para la producción de chocolate artesanal
Presentado por: José Israel Correa:
[email protected] Julián Giraldo Ospina:
[email protected] [email protected] Juan Pablo Rincón:
[email protected] [email protected]
Con la colaboración de: Andrés Bernal Dueñas:
[email protected] [email protected] Catalina Rincón Plazas:
[email protected] José David Trillos:
[email protected] [email protected]
Presentado a: Carlos Alberto Narváez Tovar:
[email protected] [email protected] Juan Edilberto Rincón Pardo:
[email protected]
Bogotá, Colombia. Junio del 2012 1
Contenido I. Introducción ............................................... ..................................................................................................... ............................................................................... ......................... 4 II. Objetivos del proyecto .................................................. ...................................................................................................... ............................................................ ........ 4 III. Marco teórico .................................................. ......................................................................................................... ...................................................................... ............... 5 IV. Estado Arte ............................................. ................................................................................................... ............................................................................... ......................... 5 A. Conche:................................................... ......................................................................................................... ............................................................................... ......................... 7 B. Sistemas de conchado actualmente existentes ....................................................... ...................................................................... ............... 7 1) Conchado por tandas ...................................................... ......................................................................................................... ................................................... 7 2) Conchado continuo ................................................ .................................................................................................... ............................................................ ........ 8 V. Definición de la Necesidad.............................. Necesidad..................................................................................... ...................................................................... ............... 8 VI. Planteamiento del Problema .............................................. .................................................................................................. .................................................... 9 A. ¿A quién?................................................ ...................................................................................................... ............................................................................... ......................... 9 B. ¿Qué y para qué? ............................................. .................................................................................................. ...................................................................... ................. 9 C. ¿Por qué? ................................................ ...................................................................................................... ............................................................................... ......................... 9 D. ¿Dónde y cuándo? ..................................................... ......................................................................................................... .......................................................... ...... 10 E. ¿Costos? ................................................. ....................................................................................................... ............................................................................. ....................... 10 F. Sub-problemas de diseño asociados .................................................... .................................................................................... ................................ 10 VII. Requerimientos del Cliente ............................................... ................................................................................................. .................................................. 10 VIII. Especificaciones de Ingeniería Ingeniería ................................................... ............................................................................................ ......................................... 11 IX. Requerimientos ................................................ ..................................................................................................... .................................................................... ............... 12 X. Parámetros de Diseño .................................................... ........................................................................................................ .......................................................... ...... 12 XI. Muestra de Cálculos .................................................. ...................................................................................................... .......................................................... ...... 14 A. Engranajes: ............................................. ................................................................................................... ............................................................................. ....................... 17 1) Reducción Engranajes Rectos: ............................................... ........................................................................................ ......................................... 17 2) Reducción Engranajes cónicos (parte inferior del eje principal):.................................... 17 3) Reducción Engranajes cónicos (parte superior eje principal): ........................................ 18 B. Ejes: ............................................... ..................................................................................................... ...................................................................................... ................................ 18 1) Eje transmisión: ..................................................... ......................................................................................................... .......................................................... ...... 18 2) Eje rodillo: ................................................... .......................................................................................................... .................................................................... ............. 18 3) Eje Principal: ............................................... .................................................................................................... .................................................................... ............... 18 C. Rodamientos: ................................................... .......................................................................................................... .................................................................... ............. 19 D. Estructuras: ............................................. ................................................................................................... ............................................................................. ....................... 20 1) Nivelador: .................................................... ........................................................................................................... .................................................................... ............. 20 2) Columnas laterales:................................................ laterales:.................................................................................................... .......................................................... ...... 23 E. Cuñas: ..................................................... ........................................................................................................... ............................................................................. ....................... 25
2
F.
Elementos de unión: .................................................. ...................................................................................................... .......................................................... ...... 25 1) Tornillos: ..................................................... ............................................................................................................ .................................................................... ............. 25 2) Tornillo de Potencia ........................................................ ......................................................................................................... ................................................. 26 3) Soldaduras: .................................................. ......................................................................................................... .................................................................... ............. 28 G. Elementos calculados con ANSYS: .................................................... .................................................................................... ................................ 28 1) Tambor: .............................................. .................................................................................................... ............................................................................. ....................... 28 Ver las carpetas Tambor y Tambor_Ansys. ............................................................................ ................................... ......................................... 28 2) Varilla soporte: ...................................................... .......................................................................................................... .......................................................... ...... 29 Ver carpeta Varilla soporte sopor te ..................................................... ...................................................................................................... ................................................. 29 3) Mesa soporte: ............................................... .................................................................................................... .................................................................... ............... 29 Ver carpeta Mesa soporte .................................................................................................. .............................................. .......................................................... ...... 29 4) Rodillo: ............................................... ..................................................................................................... ............................................................................. ....................... 30 Ver carpeta Simulación S imulación Rodillo ................................................................................. .......................... .................................................................... ............. 30 H. Cálculo de la Potencia real: ............................................... ................................................................................................. .................................................. 32 XII. Manual de Operación de la Máquina .................................................. .................................................................................. ................................ 32 XIII. Mantenimiento de los Componentes De La Máquina ..................................................... ......................................................... .... 33 XIV. Hojas Tecnológicas ................................................... ....................................................................................................... .......................................................... ...... 34 XV. Conclusiones ................................................... .......................................................................................................... .................................................................... ............. 34 Bibliografía ............................................... ..................................................................................................... ...................................................................................... ................................ 36
Resumen Resumen- En el siguiente documento se explica de manera general el procedimiento que se llevó a cabo durante el presente semestre en la asignatura de Diseño de elementos de máquinas II para el desarrollo del respectivo proyecto, el cual contempla el cálculo y diseño de los elementos de máquinas que componen una conchadora para la producción de chocolate. Este proyecto se realizó dentro del proyecto de grado de otros compañeros de la carrera de Ingeniería mecánica, quienes supervisaron y colaboraron en el desarrollo del mismo. Índice de Términos- Cacao, Conching, Mezcla, Diseño de elementos,
3
I. INTRODUCCIÓN El grano de cacao proviene de una planta llamada Theobroma Cacao L. la cual es cultivada en las zonas tropicales del planeta. Este grano forma parte de la materia prima para la producción del chocolate el cual es altamente consumido en gran parte del mundo, ya sea como confitería o como chocolate de mesa, aunque este no es el único uso que se le puede dar al cacao, ya que también tiene una gran variedad de usos médicos y de belleza. El conching o conchado es un proceso de refinación de la pasta básica de chocolate por medio del cual se mejora y armoniza su sabor y se hace posible su fluidez.
II. OBJETIVOS DEL PROYECTO Objetivo general: Como objetivo general del proyecto se propone el cálculo y diseño de los elementos que componen una conchadora de chocolate. Objetivos específicos: -
Desarrollar capacidades de trabajo en equipo y de dirección, trabajando en forma integrada tanto con los compañeros de la tesis como con los compañeros de la asignatura de dibujo de máquinas.
-
Aplicar la metodología de diseño de máquinas y los conceptos de diseño y cálculo de elementos de máquinas realizando el diseño de una máquina en un proyecto de aplicación.
-
Aprender a definir parámetros de diseño de máquinas.
-
Aprender a seleccionar elementos de transmisión de potencia comerciales, utilizados en transmisiones mecánicas (correas, cadenas, cojinetes)
-
Aprender a calcular, dimensionar y/o seleccionar cojinetes de rodamientos y de deslizamiento.
-
Aprender a diseñar y calcular engranajes de diferentes características.
-
Propiciar al estudiante la capacidad de comunicación oral y escrita en el área.
4
III. MARCO TEÓRICO Un conche es un mezclador y agitador que distribuye uniformemente la manteca de cacao en el chocolate, y puede actuar como pulidor de partículas, además promueve el desarrollo del sabor a través del calor creado por la fricción. Existen numerosos diseños de conchas y los científicos de alimentos están estudiando precisamente lo que sucede durante el conchado. El nombre de conchado deriva directamente de la forma de los recipientes donde era realizado este proceso inicialmente cuando fue creado. Cuando los ingredientes son mezclados en el conching, el proceso puede llegar a durar hasta 78 horas, dado que el proceso es tan importante para la textural final y el sabor del chocolate, los fabricantes procuran mantener el proceso controlado. Durante el proceso del conchado el chocolate pasa a través de tres fases. En la fase de secado, el material que está en forma de polvo se mezcla con la manteca de cacao. El movimiento del aire a través de la conchadora elimina algunas sustancias de humedad y algunas sustancias, que pueden dar un sabor acido al chocolate. En la fase pastosa, se agregan otros productos junto a la manteca de cacao y la potencia requerida en este proceso para hacer mover los ejes del conche aumenta. La fase líquida final permite una pequeña modificación de la viscosidad del producto acabado, que puede ser ajustado en función del uso previsto del chocolate. Los diferentes productos terminan por ser agregados para ajustar la viscosidad y se mezcla completamente.
IV. ESTADO ARTE En el proceso de conchado, la manteca de cacao y las grasas de los productos, que funden a determinada temperatura, son las responsables de dar la textura cremosa al chocolate (generalmente representan cerca de 1/3 de las recetas); en el conchado lo que sucede es que se rompen las partículas sólidas y se recubren con estas grasas, de manera que se presente mejor fluidización. Tradicionalmente, se encuentran tres fases de conchado: - Fase seca: en esta fase la mezcla es grumosa, y se retira la mayor parte de la humedad. En esta etapa la potencia consumida por el conche aumenta a medida que se añaden los ingredientes. - Fase pastosa: En esta etapa, el chocolate es una masa pastosa, y en la interface con la fase seca se presentan altas temperaturas que ayudan a esta transformación. La viscosidad comienza a bajar, y ya que ésta depende de la cantidad de esfuerzo cortante dado a la mezcla, dependiendo de la viscosidad deseada para el chocolate y el sabor deseado, se debe controlar la velocidad, la potencia otorgada a los elementos que revuelven y el tiempo de mezclado. - Fase líquida: ya durante esta fase el chocolate se ve como un fluido uniforme, y en ésta se añaden los últimos ingredientes de la receta. Se debe dar el suficiente tiempo para permitir una viscosidad equilibrada. 5
El funcionamiento del conching se basa en el esfuerzo cortante que se le imprime al fluido. Según [2] la intensidad de la mezcla puede ser cuantificada por un factor denominado tasa de cortante (shear rate), dado por la ecuación:
Donde h es la distancia entre el elemento mezclador y la pared del mezclador; v1 y v2 son las velocidades del mezclador y la pared, respectivamente.
Figura 1. Representaciones de cortante (a) y de flujo elongacional (b). Tomado y modificado de [2] Si la mezcla se realiza a una tasa pequeña por bastante tiempo, la viscosidad alcanza un punto de equilibrio del cual no tiende a cambiar; sólo cambian los sabores del chocolate. A medida que aumenta la tasa de cortante, el punto de equilibrio se da a una viscosidad menor, y llega a ser alcanzado más rápidamente; es decir, entre más rápida sea la velocidad o menor la distancia entre mezclador y pared, se produce un chocolate más suave. Estas características influyen entonces en los tiempos estipulados, la potencia necesaria, la geometría de la máquina y el control de la temperatura debido al rozamiento, entre otros factores. También existe otro tipo de flujo, llamado elongacional, en el cual las partículas no se tratan de la misma forma; en este tipo de flujo se procura que la forma de cuña rompa las partículas sólidas y las “unte” en la pared de la máquina; posteriormente se invierte el sentido del rotor para que el
material líquido produzca más esfuerzo sobre las partículas de la pared y se mezclen mejor.
6
Los métodos de efectuar el conching son muy variados, y hay miles de máquinas con diseños diferentes. No obstante, hay diseños que dominan el mercado mundial. En este sentido la referencia [1] ha sido de gran ayuda, puesto que contiene los elementos necesarios a saber sobre un tema muy desconocido en el país y sobre el cual a nivel nacional no se encuentra mucha información. Los diseños, patentados por empresas específicas, pueden observarse mejor en el capítulo sobre el benchmarking del producto, o acudiendo a la referencia. A. Conche: El conche, también conocido como Melánger, es una máquina cuya función es mantener mezclando el chocolate junto a otros ingredientes durante un tiempo largo. La primera tecnología mecánica utilizada fue creada por Ruidi Lindt en 1878, y consistía en un rodillo de granito que se movía a lo largo de un contenedor. B. Sistemas de conch ado actual mente existentes 1) Conchado por tandas
Consiste en un sistema al cual se le efectúa una carga de ingredientes y efectúa el conchado por lotes. En general estos sistemas se componen de una o varias cámaras, las cuales se llenan parcialmente de chocolate y se efectúa el vaciado. Pueden existir de dos tipos: a)
Conche rotatorio horizontal
Si bien existen varios sistemas, el principio de funcionamiento (simulando el actuar del conche lineal) es el de hacer rodar paletas o ruedas mediante el giro de un eje vertical. El que usa rodillos es el tipo de conche más utilizado alrededor del mundo en las industrias medianas, y el cual es reconocible como el clásico Melánger.
Figura 2. Conche lineal. Tomado de [2] Los diseños basados en ésta tecnología son muy variados, dependiendo del tipo de mezcla que se le quiera dar al chocolate.
7
b)
Conche rotatorio vertical
En contraposición al anterior, este conche revuelve la mezcla de manera vertical mediante paletas generalmente, movidas por un eje horizontal. Hace subir la mezcla de manera que esta vuelve a caer al fondo de la máquina; este movimiento favorece el aireado de la mezcla; sin embargo, hace más crítico el comienzo de la fase seca del conchado. 2) Conchado continuo
Estos sistemas se basan en los procesos de molienda por rodillos o martillos, que pueden ser adaptados a procesos continuos. El chocolate se hace pasar de un contenedor a otro, cada uno con una capacidad mayor de mezclado que el anterior. En un tipo de sistema se manejan grandes cantidades por cámara; debido a que manejan grandes volúmenes es preferible usarlo para un solo tipo de receta en elaboración. En el otro tipo se efectúa un mezclado de poco chocolate pero con un mezclado más intenso y con menos tiempo.
Figura 3. Conche Rotatorio horizontal.
V. DEFINICIÓN DE LA NECESIDAD En concordancia con la descripción de la necesidad de las pequeñas empresas agroindustriales del país que deseen dedicarse al procesamiento y obtención de productos finales de buena calidad de chocolate como valor agregado, el diseño de una máquina conchadora se hace necesario, puesto que es un eslabón vital en la industria, uniendo al cacao con el resto de ingredientes y dándole las propiedades características a lo comúnmente denominado "chocolate". Se requiere entonces una máquina versátil, que si bien no se encuentre al nivel de sofisticación de una máquina de industria internacional ni en su nivel de capacidad de procesamiento, sea capaz de efectuar el trabajo de conchado del chocolate en lo que se refiere a la mezcla y otorgue de cuerpo, aroma y sabor.
8
También es importante identificar el mercado objetivo, porque por pequeño que parezca es necesario estudiarlo para definir que esperan como producto final y qué hay en el mercado actualmente, para finalmente poder hacer un estudio de competencia. Inicialmente, se podría hablar que el mercado es el GIDMAQ, Grupo de Investigación en Diseño de Máquinas en la Universidad Nacional de Colombia, pues su objetivo principal es satisfacer y suplir todas las necesidades e inconsistencias presentadas en el proceso pos-cosecha de diferentes productos alimenticios. Igualmente, un segundo mercado, serían todas las familias cacaoteras que aunque no cuentan con un gran número de hectáreas cultivadas, si logran asociarse entre sí estarían en capacidad de adquirir la línea de procesamiento. Luego, para estar seguros de desarrollar un producto realmente atractivo y de ayuda, es necesario conocer los pensamientos, dificultades y aspiraciones del cacaotero en cuanto a su crecimiento en la industria. Del mismo modo, otro tipo de mercado objetivo serían las pequeñas y medianas empresas procesadoras de cacao, pues si es posible desarrollar una máquina de menor costo, y mayor o igual calidad de procesamiento, es factible pensar en una reestructuración de planta, implicando una inversión con una recuperación a mediano plazo.
VI. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A. ¿A quié n? La pregunta de a quién va dirigido el producto tiene dos implicaciones: quién solicita el montaje de la línea de procesamiento de cacao y hacia quién va dirigido su uso. El diseño de la línea fue requerida por el grupo de investigación en diseño de máquinas de la Universidad Nacional (GIDMAQ) debido al conocimiento de las condiciones de la producción de cacao de los pequeños productores en el país. En cuanto al usuario final, se define el uso por parte de microempresas y productores pequeños de las zonas cacaoteras, con conocimiento de las condiciones óptimas para el procesamiento del cacao pero sin capacitación para el manejo de maquinaria compleja para el procesamiento del cacao. B. ¿Quéy par a qué ? Para el conching, la definición de para qué se necesita la máquina surge del estudio de la industria del chocolate a nivel mundial. Debido a este estudio es que se ha determinado la necesidad de la existencia de esta máquina, la cual es la encargada de efectuar la mezcla del chocolate con los demás ingredientes en una receta de confites: bombones, trufas, pastillas, etc. C. ¿Por qué ? Como se ha explicado antes, la razón de ser del proyecto es dar la posibilidad de efectuar procesamiento de cacao en una escala pequeña, en favor de los productores pequeños. La maquinaria que puede conseguirse para el procesamiento, la cual debe ser importada, trabaja en rangos de 500 kg/hora. El procesamiento de cacao por parte de la línea implica un rango de trabajo para la máquina conchadora; si bien es opcional su uso por parte del empresario según la 9
clase de producto que desee tener, la máquina debe estar en capacidad de procesar el cacao procedente de la prensa en un proceso de manufactura relativamente continuo. D. ¿Dónde y cuándo? Para la línea se ha determinado la ubicación en plantas de producción con condiciones tales como suministro de energía eléctrica y protección de elementos ambientales. El espacio requerido para el montaje de la misma depende también del resultado del proceso de diseño, ya que la necesidad no define un espacio existente donde se pueda montar la planta. E. ¿Costos? Según el estudio del estado del arte, la máquina conchadora tiende a ser bastante costosa debido a la naturaleza de los elementos que necesita para realizar su función. Por ello se le ha asignado un rango de precios superior al del resto de las máquinas de la línea. Sin embargo, sigue en pie la importancia de su desarrollo y su competitividad frente a máquinas extranjeras, las cuales debido a su elevado costo y capacidad de procesamiento sólo pueden ser traídas por grandes productores de chocolate del país. F. Sub-pr obl emas de diseñ o asociados - El principal problema identificado en la máquina relaciona el costo de la misma con la versatilidad y calidad del producto deseado, ya que según los estudios realizados esta máquina tiende a ser bastante costosa, sea cual sea el sistema empleado para el conchado. - Otro aspecto a tener en cuenta es el enfrentamiento entre el tamaño de la máquina y su capacidad de procesamiento. La naturaleza del proceso de conchado exige unos tiempos de procesamiento de tanda bastante elevados (8 horas como mínimo), por lo cual debe manejar grandes volúmenes de material, que obviamente van a ocupar bastante espacio. - Igualmente es un aspecto crítico la versatilidad para efectuar cambios en la máquina (en la altura y la velocidad de conchado) con la sencillez del diseño requerida y el requerimiento de piezas que se puedan conseguir en el mercado nacional.
VII. R EQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Para la conchadora de chocolate pueden establecerse los siguientes requerimientos, según la situación actual de un cliente potencial para la máquina: 1) Que sea capaz de procesar todo el grano del resto de la línea de manera eficiente 2) Fabricado con piezas de fácil obtención y reemplazo. 3) Que sea capaz de funcionar durante todo el proceso de mezclado sin interrupción.
10
4) Que permita ser lo suficientemente versátil para ajustar el sabor del chocolate y obtener un buen producto. 5) Que permita una salida fácil del chocolate tras el mezclado. 6) Que no sea demasiado grande. 7) Que sea bastante estético. 8) Seguro para el operario. 9) Mantenimiento sencillo. A continuación se presenta la comparación dos a dos, para determinar el nivel de importancia:
Capacidad de procesamiento 1 0 0 1 1 1 0 0 Facilidad de adquisición de piezas 0 0 0 1 1 1 0 1 Continuidad de trabajo 1 1 0 1 1 1 0 1 Versatilidad para calidad 1 1 1 1 1 1 0 1 Salida del chocolate 0 0 0 0 1 1 0 0 Tamaño minimo 0 0 0 0 0 0 0 0 Esteticamente agradable 0 0 0 0 0 1 0 0 Seguridad industrial 1 1 1 1 1 1 1 1 Facil mantenimiento 1 0 0 0 1 1 1 0
Total Porcentaje 4 11,1% 4 11,1% 6 16,7% 7 19,4% 2 5,6% 0 0,0% 1 2,8% 8 22,2% 4 11,1% 36 100,0%
Figura 4. Comparación dos a dos de los requerimientos de la conchadora.
VIII. ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA Se pueden citar como especificaciones para la máquina de conching: - Dimensiones máximas: 2m x2m x 2m - Capacidad de procesamiento: 50kg por hora de trabajo mínimo, para cumplir con requerimientos de línea - Porcentaje de componentes estandarizados: 70% - Porcentaje de aprovechamiento de materia prima: 80% - Periodo entre inspección y mantenimiento: 6 meses - Vida útil: 10 años
11
IX. R EQUERIMIENTOS El proyecto que plantearon los compañeros del trabajo de grado contemplaba la línea de producción de Cacao. El conching o conchado es la última etapa de este proceso, razón por la cual los requerimientos de la máquina se debían adaptar a las condiciones que implicaba el mismo. Un requerimiento importante fue la capacidad de chocolate a conchar, que es de 400 Kg de chocolate. Con esta capacidad y conociendo la densidad del chocolate, se calculó el volumen que debía tener el tambor para que cumpliera con este requerimiento. Para ver información detallada de este cálculo remitirse a la hoja de cálculo Volumen y geometría tambor rodillo en la carpeta principal. Como se está tratando con un producto alimenticio, es muy importante la selección de materiales para los elementos que están en contacto con el chocolate. Estos elementos son principalmente el tambor y los rodillos de conchado, los cuales se elaboran en Acero Inoxidable AISI-304. Otro requerimiento importante era el de las dimensiones de la máquina, ya que esta debe ser operada por una persona (en cuanto al suministro y retiro de la materia prima se refiere). La altura del tambor no debe ser demasiado grande, con el fin de que la persona pueda llevar adecuadamente estas actividades. Para la construcción de la máquina se propone trabajar en lo posible con elementos estandarizados, que se encuentren en el mercado nacional. Si hay elementos que no se encuentran, deben ser importados y/o fabricados.
X. PARÁMETROS DE DISEÑO Con los requerimientos que se tenían, y conociendo más a fondo el proceso de conchado, se establecieron los parámetros de diseño. Gran parte de estos parámetros se pudieron obtener gracias a la elaboración del proyecto de investigación, el cual se explicó en un documento anterior. Parámetros como el shear rate, la fuerza de conchado se involucran como parámetros de diseño. La máquina para conchado, debe tener el mismo shear rate que se obtuvo en el proyecto de investigación, que fue de 5,14 [1/s], con el fin de obtener un chocolate con buenas características de calidad (Ver Proyecto de Investigación). Para obtener este shear rate, se debe obtener una relación adecuada entre la altura de separación del rodillo con el tambor y las velocidades tanto del rodillo como del tambor, como se ilustra en la siguiente fórmula:
12
Por razones de capacidad de la máquina, y observando máquinas en el mercado, se eligió una altura de separación de 5 cm. A partir de esta altura se calcularon las velocidades angulares tanto del tambor como de los rodillos, para que la velocidad relativa cumpliera con el shear rate deseado. Es importante resaltar que un parámetro de diseño era que la velocidad angular del tambor fuera la mínima posible, ya que la velocidad linear varía con el radio del mismo, y si la variación era demasiado grande, el shear rate lo haría de la misma manera. Para tratar de disminuir este impacto se tomaron dos medidas: -
Utilización de engranajes cónicos, para aumentar la velocidad de los rodillos a 6 rpm, partiendo de una velocidad baja en el tambor (2 rpm).
-
Colocación de una pared en el tambor, para que el conchado se dé solamente en una zona del radio, y disminuir la variación del shear rate.
Luego de tomar estas medidas, la variación del shear rate está en un intervalo de +- 0,7 [1/s]. Como se dijo anteriormente, otro parámetro de diseño era la longitud del rodillo, ya que no podía ser muy largo, por la variación del shear rate. Además se debía cumplir con la capacidad requerida de chocolate a procesar. Para solucionar esto el rodillo se ubica a una distancia de separación adecuada del eje principal, y se elige una longitud similar a las máquinas actualmente existentes (325 mm). El radio del rodillo es otro parámetro de diseño importante, ya que se recomienda que el chocolate cubra máximo 1/3 del mismo. En la máquina, el chocolate cubre aproximadamente 0,32*Rrodillo. El radio del rodillo tiene una longitud de 450 mm. Para la determinación de estos parámetros se elaboró una hoja dinámica en Excel, en la cual se jugaba con las diferentes variables, teniendo en cuenta la capacidad a conchar, y se buscaban celdas objetivo. Para ver información detallada, favor dirigirse a la hoja de cálculo Volumen y geometría del Rodillo. En esta misma hoja se puede observar el cálculo de la fuerza de conchado, que se obtuvo a partir del proyecto de investigación. Para los cálculos de la máquina se toma el valor de esta fuerza aumentado 5 veces. Conociendo el valor de esta fuerza, se procede a obtener la potencia necesaria que el motor debía tener para que la máquina funcionara correctamente. Para este cálculo se debía tener en cuenta la respectiva energía cinética de los elementos rotativos, para los cuales se calcularon Inercias mayores a sus valores reales, con el fin de obtener un valor de potencia para así elegir el respectivo motor. La potencia calculada fue de 0,4 hp. Hay que resaltar que esta potencia es mayor a la potencia que la máquina requiere. Para ver información detallada de este cálculo, dirigirse a la hoja de Excel Cálculo Potencia en la carpeta Potencias.
13
XI. MUESTRA DE CÁLCULOS Con los parámetros de diseño una vez especificados, se dio paso al cálculo de cada uno de los elementos que compone la máquina.
Información Importante: Se debe resaltar que en esta sección no se realiza el desarrollo de cada una de las ecuaciones que implica cada cálculo, ya que las fórmulas y los procedimientos detallados se presentan en las respectivas HOJAS DE CÀLCULO, y no vale la pena volver a reescribir lo que allí se hizo. Esta sección se presenta para que el lector tenga conocimiento del procedimiento general, y en qué hoja de cálculo o carpeta encuentra la información detallada. Todos los cálculos de los elementos se basan en la información de las presentaciones del curso, y en las fuentes [6, 7, 8]. Al inicio se planteó una reducción como la que se muestra en la figura 5. Como se puede apreciar, la reducción consistía primero en una reducción con poleas y correas en V, seguida de un sin-fin corona y luego la potencia se transmitía al eje principal, el cual dividía su potencia en dos por medio de un engrane cónico y la transmitía a los rodillos, para obtener la potencia y velocidad deseadas. Esta transmisión partía de un motor de 1hp cuyo eje giraba a 900 rpm.
Figura 5. Primera propuesta transmisión para la máquina. Para la elección del motor-reductor era necesario conocer la potencia que la máquina necesitaba, para que esta operara correctamente. Como no se conocían las inercias de los elementos, estas se supusieron, pero dándoles un valor mayor a su valor real, y teniendo en cuenta las velocidades angulares de cada elemento. Este cálculo se puede observar en la tabla 1.
14
Tabla 1. Cálculo de la potencia aproximada Inercia
Vel_angular
Kg m^2 [rpm] chocolate y tambor E_rodillo E_Principal E_sinfin E_poleas E_motor
280 3 3 1 0,5 0,06
2 6 2 100 300 900
[rad/seg] 0,20943951 0,62831853 0,20943951 10,4719755 31,4159265 94,2477796
Energía cinética de Rotación
Tiempo de arranque
[Nm]
[s]
6,14108718 0,59217626 0,06579736 54,8311356 246,74011 266,479319
Pot [W]
kW
1,2 5,11757265 0,00511757 1,2 0,49348022 0,00049348 1,2 0,05483114 5,4831E-05 1,2 45,692613 0,04569261 1,2 205,616758 0,20561676 1,2 222,066099 0,2220661 Potencia de conchado x 5 Pot_total
hp 0,0038 0,0004 0,0000 0,0340 0,1532 0,1654 0,0640 0,4209
Luego de conocer la potencia necesaria para que la máquina operara con esta reducción, de calcular la reducción con poleas, la del sinfín corona, y de averiguar varios catálogos de motorreductores disponibles en Colombia, se optó por tomar un motor-reductor de Industrias Ramfé Ltda., ya que el rango de potencia y velocidad estaba dentro del rango ofrecido por ésta. Este motor-reductor, entrega una potencia de salida de 0,458 hp y su eje gira a 24,260 rpm, lo que nos hizo cambiar el sistema de reducción, como se muestra en la figura 6. El catálogo del motor-reductor se encuentra en la carpeta bibliografía, y la verificación de la potencia se muestra en la hoja de cálculo Potencias con motor-reductor en la carpeta Potencias. Los cálculos de la primera reducción propuesta se encuentran en la carpeta con nombre Obsoletos.
15
Figura 6. Sistema de reducción definitivo de la máquina. Un parámetro de diseño importante para la conchadora era garantizar la velocidad de rotación exacta de los componentes (tanto de los rodillos como del tambor). Con la nueva velocidad de rotación del eje de salida, y conociendo que la velocidad que se necesitaba en el eje principal era de 2 rpm, se optó por utilizar reducciones con engranajes, las cuales permiten relaciones de transmisión exactas, y no se tienen pérdidas como es el caso con las poleas. La información respectiva en cuanto a velocidad y torque de cada elemento de transmisión, se muestra en la figura 7, en esta figura se detalla la referencia del motor-reductor que se escogió.
Figura 7. Velocidades y torques elementos de transmisión 16
A. Engranajes: Las reducciones que se plantearon fueron: -
Reducción con engranajes rectos 4:1.
-
Reducción con engranajes cónicos 3:1: la elección de este tipo de engranajes se justifica porque se debe transmitir potencia entre dos ejes cruzados que se cortan a 90°.
-
Reducción con engranajes cónicos 1:3: La decisión de esta reducción se explicó en la sección de parámetros de diseño, ya que se pretende aumentar la velocidad en los rodillos.
1) Reducción En granaj es Rectos:
Conociendo la relación de transmisión y el torque de entrada, se calcula el torque de salida. Con estos datos se calcula detalladamente tanto el engrane como el piñón, y se garantiza que estos elementos tengan un factor de seguridad superior a 2 tanto a fatiga como a desgaste superficial. En el cálculo se incluyen todos los respectivos coeficientes. Para ver el cálculo detallado remitirse a la hoja de cálculo Engranes Rectos, ubicada en la carpeta Calculo Reducción Engranajes rectos. : El cálculo de todos los engranajes (rectos y cónicos) se realiza con la Nota consideración que la máquina opera durante 24 horas diarias, 365 días a la semana, por 5 años. Los engranajes se han diseñado usando el sistema de módulo (sistema Internacional). Los respectivos valores de módulo, diámetros, ángulos, se presentan en las hojas de cálculo y planos respectivos. 2) Reducción E ngr anajes cóni cos (parte in feri or del eje pri ncipal):
El cálculo se hace teniendo en cuenta las consideraciones enunciadas anteriormente, y calculando los respectivos factores que incluye el procedimiento. Para conocer información detallada de los cálculos, favor remitirse a la hoja de cálculo Cálculo Engranes cónicos Inferior y observar los respectivos planos. En el cálculo del engrane cónico inferior, se hizo uso de splines ya que el diámetro del eje principal en esta sección era muy pequeño y el cálculo de la respectiva cuña dio una longitud apoximada de 23 cm, que es muy grande. El cálculo de los splines se realiza basándose en el libro de Mott, y se presenta en la sección de cuñas.
17
3) Reducción En granajes cóni cos (parte super ior eje prin cipal):
El cálculo de los engranes es muy similar al anterior, y se presenta en la hoja de cálculos Cálculo Engranes cónicos que se encuentra en la carpeta Reducción Engranajes. B. Ejes: La máquina cuenta con tres ejes, los cuales se calcularon debidamente a fatiga, deflexión, y velocidad crítica. A continuación se muestra una lista de los ejes, detallando la ubicación de las respectivas hojas de cálculo: -
Eje Transmisión. Archivo Cálculo Eje transmisión, carpeta Eje Transmisión.
-
Eje Principal. Archivo Cálculo Eje Principal, carpeta Eje Principal.
-
Eje Rodillo. Archivo Momentos y fatiga, carpeta Eje Rodillo.
En la carpeta de cada eje se encuentra el cálculo a deflexión y velocidad critica. 1) Ej e tr ansmi sión:
Se denomina eje transmisión al eje que comunica el motor con el eje principal o eje vertical que se encuentra en el centro de la máquina. Este eje se fabrica con acero AISI SAE-1020. Para el diseño se realizaron los cálculos para fatiga, deflexión y velocidad crítica. Este eje irá soportado por dos apoyos (rodamientos de bolas), los cuales están sujetos por chumaceras fijas sobre la estructura. La entrada de potencia se realiza mediante un engrane recto y la salida de potencia se efectúa mediante un piñón cónico.
2) Eje rodillo:
Se denomina eje rodillo al eje que se encuentra dentro del tambor y soporta el rodillo de conchado. Este eje se fabrica con AISI 304 (Acero inoxidable), ya que estará en contacto con chocolate en todo el tiempo del proceso. El eje rodillo soporta los tornillos prisioneros que sostienen los rodillos en la máquina. Además esta soportado por dos chumaceras que están atornilladas a la estructura superior de la misma. La entrada de potencia se efectúa en un extremo del eje mediante el accionamiento de un piñón cónico. La salida de potencia se efectúa para generar el movimiento del chocolate. Para el diseño de este eje se tuvo en cuenta cálculos a fatiga, deflexión y velocidad crítica. 3) Eje Pri ncipal:
El eje principal es el eje que se encuentra ubicado en el centro de la máquina y transmite la potencia del eje transmisión. Este eje se fabrica con AISI SAE 1020 y se encuentra apoyado 18
sobre dos chumaceras con sendos rodamientos. El eje soporta el tambor que contiene el chocolate a través de una manzana ajustable. La entrada de potencia se realiza mediante un engrane cónico y la salida de la misma está dada mediante el movimiento del tambor solidario al eje y la acción del engrane cónico superior. Para el diseño del eje se tuvo en cuenta los cálculos de fatiga, deflexión y pandeo. Todos los ejes se calcularon con un factor de seguridad superior a 2. En todas las secciones en las cuales la influencia de esfuerzos y la geometría del eje podrían generar falla. Los cálculos a fatiga se realizaron siguiendo el modelo de Goodman y además se realizó comprobación con esfuerzo de fluencia. Los cálculos de deflexión se realizan con el programa ANSYS haciendo uso del módulo Mechanical APDL. Para demostrar el correcto uso del programa, se desarrolla un ejemplo en el cual se calculan las deflexiones con las ecuaciones de singularidad, las cuales se programan en Excel, y posteriormente se simula con ANSYS , para realizar la comparación respectiva. La siguiente tabla muestra la respectiva comparación de resultados: Tabla 2. Verificación cálculos deflexión Ansys.
Para ver este cálculo detalladamente, se puede remitir a la hoja de cálculo Cálculo Deflexión plano xy Eje Parcial , que se encuentra en la carpeta Verificacion_Ansys. C. Rodamientos: Los rodamientos se seleccionaron para cada eje según las fuerzas radiales y axiales encontradas. En casi todos los casos sólo fue necesaria la selección de rodamientos rígidos de bolas de una sola hilera. Según la recomendación de SKF se seleccionaron los rodamientos con una vida estimada de 44000 horas de funcionamiento las 24 horas al día. El factor fundamental para la selección fue las cargas dinámicas aplicadas para cada condición de carga en los apoyos. Se hizo el montaje de cada eje y se diseñaron las chumaceras de modo que existiera un rodamiento libre y el otro fijo. En cada caso se siguió las recomendaciones del catálogo en ajustes y tolerancias permisibles para obtención del montaje deseado. En la siguiente tabla se enuncian los rodamientos que se seleccionaron según el cálculo y el tipo de montaje que se diseñó.
19
Tabla 3. Selección de rodamientos.
Rodamientos SKF Libre
Fijo
Eje rodillo
16012
61812
Eje principal
61815
3222A
Eje transmisión
61818
61912
Rodamiento tornillo de potencia
7209 BECBP
Rodamiento soporte engrane
61806
D. Estructuras: 1) Nivelador:
El nivelador, además de permitir que la distancia entre tambor y rodillo pueda cambiar, debe garantizar que no haya una deflexión excesiva en los extremos de los perfiles de soporte del eje del rodillo. Esta deflexión afectaría directamente la posición del piñón cónico de la transmisión y ocasionaría mayor desgaste y problemas de funcionamiento en el mismo. El análisis de la deflexión en los extremos de los perfiles de soporte, se hace primero de manera analítica usando el método de deflexión de vigas por integración. Las fuerzas aplicadas en los extremos de los perfiles son iguales y contrarias a las fuerzas en los apoyos del eje del rodillo. A continuación se encuentra un esquema de las fuerzas con una lista de sus valores.
20
Figura 8. Condición de carga en Ansys Workbench
Fuerza sobre el miembro exterior:
Fuerza sobre el miembro interior:
Fuerza sobre el soporte del engrane cónico de la transmisión:
Sobre la parte superior central de la estructura, el eje principal ejerce una fuerza. Esta fuerza también se tiene en cuenta y se expresa como .
Estos valores se llevan a una tabla de Excel, que contiene también información sobre la geometría del perfil y propiedades del material. Información sobre la deflexión en el extremo se encuentra en el archivo Varilla soporte interior y Varilla soporte exterior de la carpeta Varilla soporte.
21
Ax
-511,01 N
Ay
0N
Az
5374,54 N
Bx
L1 L2
548,89 N
Cx
1059,9 N
Cy
0N
Cz
-5374,54 N
My
1854,2163 Nm
Mz
-65,8668 Nm
L3
E
e d1 d2 d3
Deflexion maxima
0,079 mm
d4
0 mm
Ax
-38,88 N
0m
Ay
1649,69 N
*
345 mm
Az
439,35 N
*
Bx
0N
*
*
0,345 m 120 mm 0,12 m 2
2,00E+11 N/m
5 mm 0,005 m
Cx
38,8814839 N
Cy
-1649,68582 N
Cz
-439,346661 N
My
151,574598 Nm
Mz
-569,141607 Nm
L1 L2 L3
E
e
160 mm 0,16 m 80 mm
d1
0,08 m
d2
150 mm 0,15 m
d3
70 mm Deflexion maxima
0,07 m
Iy
7,62E-06 m4
Iz
2,54E-06 m
0,073 mm
4
Figura 9. Deflexión varilla soporte interior
d4
0 mm 0m 345 mm 0,345 m 0 mm 0m
2,00E+11 N/m
2
5 mm 0,005 m 160 mm 0,16 m 80 mm 0,08 m 150 mm 0,15 m 70 mm 0,07 m 4
Iy
7,62E-06 m
Iz
2,54E-06 m
4
Figura 10. Deflexión varilla soporte exterior
Adicionalmente y también con el fin de obtener las fuerzas en las reacciones (extremos de la barra superior), se modela la estructura en Ansys Workbench.
Figura 11. Deflexión del nivelador en Ansys Workbench Este modelo nos permite obtener mayor exactitud, ya que en el mismo sí se puede considerar el movimiento relativo que ocurre entre los perfiles de soporte (vertical) y la barra de soporte (horizontal). La deformación máxima ocurre en el extremo del eje soporte del engrane cónico y tiene un valor de ó . La deformación en los extremos inferiores de los perfiles es de aproximadamente , valor que es muy parecido al obtenido por el método analítico.
22
El esfuerzo equivalente de von Misses máximo, se localiza en los extremos de la barra soporte y tiene un valor de , valor que está muy por debajo de la resistencia a la fluencia del acero estructural ( ).
Figura 12. Esfuerzo equivalente de von Misses en el nivelador.
2) Columnas l aterales:
Método del esfuerzo admisible: Para determinar la mayor carga que puede ser soportada por la columna, se usa el método del esfuerzo admisible. La condición de carga sobre la viga se obtiene de la modelación en Ansys ya que su obtención por método analítico resulta imposible, ya que se trata de una estructura hiperestática. Todos los cálculos se encuentran en el archivo Columna dentro de la carpeta Estructura. En un principio se escogió una viga W250X80. Un perfil cuyo patín coincide con el ancho de la barra soporte. Obtenida toda la información sobre la geometría, momentos de inercia y demás, se procede con el cálculo. Primero se evalúa el tipo de columna según la relación:
Donde k es un factor que obedece al tipo de apoyo (para nuestro caso es 1,2). Este valor se compara con la esbeltez crítica
23
De esta forma, si la relación es menor que se dice que la viga es corta, de lo contrario la viga es larga. En nuestro caso se trata de una viga corta. Determinado esto se emplea las ecuaciones del método de esfuerzo admisible para el factor de seguridad y el esfuerzo admisible.
( ) [ ( ) ] Con la condición de carga se halla la condición de esfuerzos en la fibra crítica, que para este caso es la que soporta dos momentos y una fuerza a compresión. La expresión para estos esfuerzos es:
El esfuerzo sobre la fibra critica (ver hoja de cálculo) es mucho menor que el esfuerzo admisible, por lo tanto la columna soportara eficientemente la carga. Fluencia de la sección transversal: La siguiente expresión se usa para determinar si hay falla por fluencia de la sección transversal.
Donde
es el área transversal de la columna.
Deformación: Para hallar la deformación de la columna en su extremo se utiliza el método de deflexión de vigas por integración. Después de obtener las fuerzas y momentos en las reacciones, se hallan las ecuaciones de singularidad para la condición de cargas en cada plano y se obtiene la deformación en el extremo de la columna. Esta deformación se compara con la siguiente expresión que determina la deflexión máxima.
Para el caso de estudio, se encuentra que la deformación máxima es de 0.25 mm, que es mucho menor a , (4.5 mm).
24
E. Cuñ as: Por lo general estos elementos se mandan a fabricar, pero para el cálculo de estas, nos basamos en el catálogo de Opac. En este muestran cómo seleccionar una cuña de acuerdo al tamaño del eje, así como las respectivas tolerancias que deben tener tanto el cuñero como la cuña. El procedimiento detallado se describe en la hoja de cálculo cuñas cuadradas, que se encuentra en la carpeta Cuñas,Tornillos. Cabe resaltar que el material de la cuña debe ser menos resistente que el del eje, ya que estos elementos deben funcionar como fusibles en caso de algún evento inesperado. Es decir, estos se romperán, y no lo harán los elementos principales de la máquina. En esta hoja de cálculo se muestran detalladamente las medidas para los cuñeros, y se presenta el cálculo de las splines, que se mencionó anteriormente en la sección de los engranajes.
F. El ementos de un ión: 1) Tornillos:
Las cargas sobre los tornillos se analizan para dos condiciones de carga: Tensión y cortante. En el archivo Tornillos en la carpeta Tornillos, se encuentra información exhaustiva sobre el cálculo de cada grupo de tornillo, tuerca y arandela en la máquina. El procedimiento de cálculo se explica a continuación. Análisis a tensión: Conocida la condición de cargas sobre el elemento, así como la geometría, se propone un diámetro inicial para el tornillo o el grupo de tornillos. Inicialmente y con base en este diámetro se busca la geometría general del tornillo (hilos por pulgada, área de esfuerzo, distancia entre caras, altura de la cabeza, longitud total y roscada), de la tuerca y de la arandela en el catálogo de Gutemberto. Adicionalmente se necesita saber las longitudes y propiedades (módulo de elasticidad) de los materiales que están entre la unión. Con la información anterior se procede a calcular las constantes de rigidez tanto para el perno (compuesto por parte plana y parte roscada) como para los materiales que une (se generan 3 conos distintos). Con estas dos constantes de rigidez, se obtiene , que indica que parte de la carga es absorbida por el tornillo, este valor debe ser en la medida de lo posible bajo, es decir, la mayor cantidad de carga debe ser absorbida por el material y no por el tornillo.
Del catálogo es posible obtener también la carga de prueba, la resistencia a la tracción del tornillo. Que junto a la resistencia corregida [6] permiten obtener un valor para el factor de seguridad.
25
Análisis a cortante: Con la información sobre las cargas y la geometría de los tornillos, se hallan los cortantes primarios (ocasionados por dos fuerzas en x y en y) y el cortante secundario (ocasionado por el momento resultante de trasladar la fuerza al centro). Después se suman vectorialmente los mismos y el análisis continúa en aquel tornillo que soporte la mayor carga cortante. Para obtener el factor de seguridad se utiliza la siguiente expresión:
√
En términos generales se obtienen siempre valores para el factor de seguridad siempre mayores a 26. 2) Torn il lo de Potencia
Para calcular el tornillo de potencia es necesario tener en cuenta dos factores: Autobloqueo y Carga Critica. Autobloqueo: Los siguientes son los datos generales del tornillo de potencia: Tabla 4. Datos del tornillo de potencia 2.5 in Diámetro de paso 4 Hilos por pulgada Capacidad de carga 100000 lb 1 Numero de inicios 0.25 in Paso 0.25 in Avance La condición de autobloqueo está dada por la siguiente expresión:
Donde:
es el coeficiente de fricción entre la tuerca y el tornillo L es el avance del tornillo es el paso diametral del tornillo El material de la tuerca escogido es de bronce, que en combinación con el acero del tornillo, tienen un coeficiente de fricción de 0,125. Evaluando la anterior ecuación se tiene
26
Es decir que con un tornillo de potencia de 2,5 in de diámetro de paso y un paso de 4, se garantiza la condición de autobloqueo necesaria para el nivelador. Carga critica: La carga crítica bajo la consideración de pandeo se obtiene con la siguiente expresión:
Donde:
es la caga critica es el factor de columna, el cuál cambia con la forma de apoyar el tornillo de potencia d diámetro de paso L longitud entre la carga y el apoyo
27
El tornillo sólo es apoyado en un extremo (en la parte de abajo) con un rodamiento doble, para esta condición de apoyo, toma un valor de 0.25. La distancia de la carga al apoyo máxima es de 20 in. Con esta información se obtiene un valor para la carga critica de
Este valor está muy por encima de la carga aplicada de 224 lb. 3) Soldaduras:
Toda la estructura en sus componentes principales se ensamblo mediante unión soldada. Se utiliza el proceso SMAW (Soldadura manual con electrodo revestido) para todos los cordones. Para los perfiles del nivelador y los demás elementos de acero estructural se utiliza electrodo revestido E6013 para la los filetes y los depósitos de relleno. Para los mismos propósitos donde el material base sea acero inoxidable se utiliza electrodo E308 de diámetro de 1/8. Las soldaduras se calcularon únicamente a carga estática de debido a que no existen fuerzas fluctuantes. Las soldaduras dentro del tambor para unir las láminas del tambor se utilizan 3 cordones de llenado en las esquinas debido a que se necesita un perfil lo suficientemente alto en los bordes para realizar la limpieza y desinfección. En todos los filetes tiene de lado de 6 mm para cada pasada. Se recomienda utilizar y revisar las especificaciones de los fabricantes para la utilización de corrientes y voltajes en los equipos en el proceso. Se utilizó el código estructural AISC para la determinación de esfuerzo permisible según el estado de esfuerzo encontrado. Se hicieron los cálculos en todas las áreas de garganta de los filetes de la soldadura. Ver carpeta calculo soldaduras G. El ementos calcul ados con ANSYS: Hay varios elementos en la máquina cuyos cálculos se simplifican al modelarlos en ANSYS. Este es el caso de las estructuras, el tambor, los Rodillo, la varilla soporte. Para estos cálculos se utilizó el módulo Workbench de ANSYS . A continuación se listan los elementos y las hojas de cálculo en las que se puede encontrar la información detallada de cada uno de los mismos: 1) Tambor:
Ver las carpetas Tambor y Tambor_Ansys. Se realizó el cálculo para ver que las deformaciones no fueran muy grandes, antes y después de colocar los refuerzos. Como se observa en la figura 13, con los refuerzos la deformación es muy pequeña. El peso aplicado es de 1000 Kg, que es mayor al peso real de 400 Kg. En la figura 14, se observan los esfuerzos equivalentes de Von Misses, que son aceptables.
28
Figura 13. Deformaciones en el tambor.
Figura 14. Esfuerzo equivalente de von Misses en el Tambor.
2) Vari ll a soporte: Ver carpeta Varilla soporte
3) M esa sopor te: Ver carpeta Mesa soporte La mesa soporte se simuló, para verificar que las deformaciones y los esfuerzos estuvieran en un rango permisible. Ya que esta estructura soporta una chumacera. En la zona mostrada, se aplicaron las respectivas reacciones de la chumacera.
29
Figura 15. Deformaciones para la mesa soporte.
Figura 16. Esfuerzos para la mesa soporte.
4) Rodillo: Ver carpeta Simulación Rodillo El rodillo se simuló, para verificar que las deformaciones y los esfuerzos estuvieran en un rango permisible. Ya que esta estructura soporta una chumacera. La fuerza que se aplicó fue 5 veces la fuerza de conchado.
30
Figura 17. Deformaciones en el rodillo.
Figura 18. Esfuerzos sobre el rodillo, en el punto de aplicación de la fuerza.
31
H. Cálcul o de la Potenci a real: Conociendo la geometría de los elementos, se realiza el cálculo de la potencia real que necesita la máquina. Estos resultados se pueden observar en la tabla 5. Tabla 5. Potencia real necesaria para el funcionamiento de la máquina. Energía Tiempo cinética Inercia Vel_angular de Potencia de arranque Rotación [kg m2] [rpm] [rad/seg] [Nm] [s] [W] [kW] 3,67 6,00 0,63 0,72 1,00 0,72 0,00 Eje_rodillo Eje Principal + 267,67 2,00 0,21 5,87 1,00 5,87 0,01 Chocolate 0,54 6,00 0,63 0,11 1,00 0,11 0,00 E_Transmisión 0,02 24,00 2,51 0,06 1,00 0,06 0,00 E_motoreductor 0,05 1200,00 125,66 394,78 1,00 394,78 0,39 E_motor
[hp] 0,00 0,00 0,00 0,00 0,29
Como se aprecia, la potencia que la máquina necesita, tanto para su operación como para vencer las inercias de los elementos al arranque, es menor a la potencia que entrega el motor-reductor (0,45 hp), por lo que se puede afirmar que la elección del motor-reductor fue adecuada.
XII. MANUAL DE OPERACIÓN DE LA MÁQUINA Las siguientes son las recomendaciones para la operación de la maquina:
Conecte los bornes del motor a una fuente de voltaje de 240 voltios. No sobrepase este voltaje porque podría dañar el motor La capacidad de carga de mezcla para conchar es de 400 kg. No sobrepase este valor de peso porque podría ocasionar daños en la transmisión. Utilice agua potable y desinfectante para lavar los tambores y rodillos. Utilice agua a presión máxima de 1 psi. Trate de que los ejes vertical y a la salida del motor entren en contacto con el agua. Revise cada 10000 horas de funcionamiento los rodamientos. Inspeccione la presencia de agua o elementos extraños que puedan alterar el funcionamiento. Revise la textura y la medida del aceite periódicamente. Siga las recomendaciones para el cambio del aceite del motor. No cubra ni coloque elementos en el motor-reductor porque podría dañar los componentes internos, debido a la falta de refrigeración que se necesita para el correcto funcionamiento. Encienda el motor cuando se encuentre en vacío. Cargue la maquina paulatinamente hasta alcanzar la cantidad deseada de mezcla a conchar. 32
Vierta homogéneamente la mezcla a conchar dentro del tambor. Hágalo para asegurar un correcto funcionamiento de la máquina y de esta manera obtener un producto de excelente calidad. Gire el tornillo de potencia para desplazar los rodillos a una altura deseada respecto al tambor. Cuando ejecute este procedimiento verifique que los engranes queden acoplados apropiadamente. Mueva el engrane del eje principal para asegurar una buena transmisión de potencia. Calcule la altura que necesite de los rodillos y el tiempo de conchado según la receta de chocolate a preparar. La máquina puede funcionar las 24 horas 7 días a la semana. Revise periódicamente la mezcla dependiendo el tiempo de conchado. Revuelva manualmente con una pala o cuchara el chocolate remanente ubicado en las paredes laterales del tambor. No coloque las manos o dedos en lugares en los ejes de transmisión, engranes o rodillos. Por su seguridad evite el contacto con estos elementos cuando la maquina esté en funcionamiento. Si la maquina se para, apague el motor. Revise que la mezcla este uniformemente distribuida y fluida dentro del tambor. Si esto no fuera así distribuya la mezcla con una pala o retire mezcla para conchar en el tambor. Cuando termine el tiempo de conchado retire el chocolate en un recipiente con una pala. Hágalo sin apagar el motor para que no se solidifique el chocolate. Utilice agua potable y desinfectante para lavar los tambores y rodillos. Utilice agua a presión máxima de 500 psi. Trate de que los ejes vertical y a la salida del motor entren en contacto con el agua. No mueva elementos de la transmisión como los engranes tornillos o chumaceras. Hágalo únicamente bajo la inspección de un ingeniero o técnico en mantenimiento.
XIII. MANTENIMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA MÁQUINA
Conecte apropiadamente y verifique que los bornes del motor estén con la polaridad apropiada según la indicación de la carcasa. Evite el contacto de los cables con otros elementos metálicos que puedan generar un corto circuito. Limpie la carcasa del motor cada 10 procesos de conchado. Hágalo para asegurar una adecuada refrigeración del motor-reductor y preservar la vida útil del aceite y de los elementos internos del mismo. Mida periódicamente el nivel del aceite en el motor-reductor. Este necesita un aceite grado ISO 100 si no encuentra disponible consulte las recomendaciones del fabricante. Si el motor-reductor presenta problemas en su funcionamiento. Remítase a la página del fabricante y averigüe las condiciones de garantía o mantenimiento. Consulte en: http://www.ramfe.com.co.
33
Revise cada 10000 horas de funcionamiento los rodamientos. Inspeccione periódicamente también los rodamientos para evitar la presencia de agua o elementos extraños que puedan alterar el funcionamiento. Al desmontar los rodamientos utilice prensas hidráulicas o mordazas extractoras. Nunca trate de forzarlos o golpearlos para ensamblarlos a los ejes. porque puede dañar el acabado superficial del eje o podría dañar las pistas o los elementos rodantes de los rodamientos. Si desea hacerle mantenimiento a los rodamientos asegúrese de que en el ensamble se mantengan las condiciones de funcionamiento. Recuerde que los rodamientos se montan para que exista uno fijo y uno libre en las chumaceras; esto es importante para asegurar la vida útil de la máquina. Coloque las tapas de las chumaceras cada vez que haga el montaje. No olvide que estos elementos preservan la vida útil de los rodamientos. Inspeccione y limpie periódicamente los ejes y los engranes. Revise la ausencia de elementos extraños dentro de los dientes de los engranes. Si la maquina se sobrecarga y deja de funcionar, apáguela y revise que los engranes estén funcionando correctamente. Si esto no sucede revise las cuñas para intercambiarlas porque posiblemente ya estén dañadas. Utilice escobas o escobillas para limpiar los elementos de difícil acceso en los rodillos como las chumaceras o los perfiles. La presencia de estos residuos podrían perjudicar la calidad del chocolate que esta refinando. Utilice superficies abrasivas para limpiar los rodillos y el tambor. Haga una limpieza exhaustiva cada 20 procesos de conchado. Si necesita desmontar ejes o engranes tenga cuidado. Utilice técnicas o mecanismos para desmontarlos ya que son muy pesados y podría ocasionar lesiones físicas al manipularlos. Si necesita información acerca de los componentes de la maquina comuníquese con los fabricantes: grupo de investigación en diseño de máquinas de la Universidad Nacional (GIDMAQ) en la Universidad nacional de Colombia: http://www.ing.unal.edu.co/vcdinv/gidmaq.html.
XIV. HOJAS TECNOLÓGICAS Las cartas tecnológicas se encuentran en la carpeta archivos finales dibujo/ cartas tecnológica. Allí se encontrará las presentaciones en power point donde se describe de forma detallada paso a paso el proceso de obtención de las piezas de la maquina como los engranes, ejes y rodamientos. También se enuncian los acabados superficiales y los ajustes necesarios para el ensamble.
34
XV. CONCLUSIONES
Se cumplió con el objetivo principal del proyecto, y se presentó una alternativa de diseño viable para la conchadora de chocolate, cumpliendo con los requerimientos del cliente, y con los parámetros de diseño que se establecieron.
Se logró el desarrollo de capacidades de trabajo en equipo tanto con los dibujantes, como con los ingenieros del trabajo de grado, esto se vio reflejado con la aprobación de los planos, con el desarrollo del proyecto de investigación y finalmente con la culminación del proyecto aplicado.
Para lograr el manejo de un grupo de trabajo (en este caso los dibujantes), se crearon diferentes mecanismos de comunicación como reuniones semanales, uso de cronogramas, planes de trabajo entre otros, lo que permitió un trabajo en equipo adecuado y eficiente. Con los ingenieros del trabajo de grado se establecieron reuniones semanales, y se trabajó conjuntamente en el planteamiento de los objetivos.
En la conchadora de chocolate, se aplicaron los conceptos aprendidos en el curso, se empleó la teoría aprendida en cuanto a sistemas de transmisión como engranajes, sinfín corona, poleas, como en cuanto a sistemas de lubricación, selección adecuada de rodamientos. También se reforzaron los conocimientos adquiridos en la asignatura anterior (Diseño de elementos de máquinas I), con el cálculo correspondiente de ejes, elementos de unión, cuñas, entre otros.
Mediante las diferentes exposiciones y sustentaciones tanto de planos, como de los proyectos, se fortalecieron las capacidades en cuanto a expresión oral se refiere, y por medio de los informes se hizo en lo que concierne con la parte escrita.
35
