Maquina Desgranadora de Arveja

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

MAQUINA DESGRANADORA DE ARVEJA Y FRIJOL Escobar Mesa Y. H*, Escobar Henao G. A * Universidad Pontificia Bolivariana – Medellín, Colombia. Facultad de Ingeniería Mecánica, Circular 1 #70-01 bloque 11. Medellín, Colombia. e-mail: [email protected]

RESUMEN La máquina para desgranar arvejas y fríjol, es el fruto de un trabajo académico realizado por estudiantes de ingeniería mecánica. Surgió de la necesidad encontrada en los hogares, mercados de la ciudad y la industria de alimentos, para facilitar el proceso proceso de desgrane de leguminosas. Se ofrece una solución desarrollando un mecanismo de un tren de engranajes compuesto de cuatro etapas, que genera alto torque y baja velocidad a la salida; salida; éste se acopla a unos rodillos por los que pasan los vegetales. Los rodillos, a la vez que halan de la vaina, la comprimen, separando así el grano de la ella, sin sufrir mayor daño. La máquina se diseñó específicamente específicamente para el desgrane de los vegetales mencionados. mencionados. Con su desarrollo se  pretende disminuir los costos de mano de obra en la industria, y por ende reducir el precio de mercado. Con ello se logra competitividad entre las leguminosas que se venden desgranadas, respecto a las que se venden con su vaina. Como resultado se logró recolectar gran cantidad de grano en poco tiempo, de forma efectiva y manteniendo su calidad.

PALABRAS CLAVE:  Diseño mecánico, Máquina desgranadora, Presión, Tren de engranajes, Desgrane de leguminosa.

INTRODUCCIÓN Toda necesidad es un impulso irresistible, que hace que las causas obren infaliblemente en cierto sentido, con instrumentos o cosas necesarias para los oficios u otros usos; ya sea por falta de recursos, o tecnología no existente para una labor especifica. La inmovilización de los propósitos, imposibilita en ocasiones seguir adelante con la meta. Aquí es donde se ve la obligación de ingeniar y sacar todas las capacidades, para crear dispositivos o maquinaria que posibilite terminar con el trabajo, y así satisfacer nuevas y viejas necesidades. Se planteó ir a la plaza de mercado central de la ciudad de Medellín, donde a diario se generan con frecuencia, problemáticas por falta de adecuada maquinaria, lo que imposibilita un buen r endimiento en el trabajo. Identificando y analizando todo lo que proporcionaron los medios a los cuales se dirigió la  búsqueda, se vió pertinente presentar el siguiente proyecto: Crear una máquina para el desgrane de leguminosas, sin utilizar excesivamente la mano de obra de las personas encargadas de este proceso; el cual siempre se ha realizado de forma manual, abriendo el producto por su propia abertura natural, para luego extraer aproximadamente 10 granos de arvejas, del interior de la “camisa” o vaina que los contiene. El desgrane de leguminosas, hace parte de una labor que a diario se ve no solo en las plazas de mercado de las ciudades, sino en todos los hogares y tiendas; es así como ante esta problemática, se diseñó una máquina, que facilite esta labor con éxito.

METODOLOGIA En la primera fase del proyecto, se aplicó el procedimiento de diseño mecánico preliminar y básico. El  primero contempla después del planteamiento del problema, la revisión del estado del arte, la recolección de datos, la identificación y jerarquización de variables cualitativas y cuantitativas de diseño; y por último, la selección de la solución. En el diseño básico, se identifican los subsistemas del prototipo, se  plantean y evalúan alternativas, y se elige la mejor solución; luego se integran los subsistemas para comprobar su compatibilidad. Como resultado, se obtiene un bosquejo del sistema y una estimación de sus características para el posterior diseño de detalle [1]. Presentándose la lluvia de ideas, se logró canalizar el desarrollo del proyecto, evitando limitar los conocimientos o posibles invenciones, logrando también que éste no se desvíe por otro rumbo. El tener el  problema planteado correctamente, permite proponer como objetivo o meta final, el excelente diseño de un dispositivo, que resuelva la necesidad de crear una máquina, en la cual las leguminosas [figura 1], tengan un proceso adecuado de desgrane, con dispositivos, o un mecanismo que transforme movimientos y fuerzas[3], pero en forma conjunta con el análisis oportuno, concreto y organizado, de todos l os factores que determinan el proyecto, o diseño de la máquina; es decir, que el objetivo es tener siempre presente todo detalle, puesto que la meta aquí, es obtener la mayor cantidad posible de diseños potenciales. Aun sugerencias superficialmente poco convencionales, deben ser bienvenidas; ya que pueden hacer surgir nuevas perspectivas, y proponer otras soluciones más prácticas y realistas [4], para escoger finalmente la apropiada. Para ser más específicos con todo lo que abarca el problema, se analizaron todas aquellas variables que determinan el proyecto final, como también aquellos factores que pronostican la utilidad, y satisfacción de una máquina, como lo son: Peso, volumen, capacidad, eficiencia, corrosión, sonido (ruido), energía, entre otras [5]; factores que son influyentes determinantes, que dan indicaciones necesarias para comenzar con el diseño de la máquina, y tener finalmente un prototipo adecuado, con posibilidades de comercialización, y por supuesto con las puertas abiertas, para su juicio y mejoramiento en un futuro.

Fig. 1: Planta de arveja [2]

DISEÑO PRELIMINAR Revisión del estado del arte De la revisión de la bibliografía existente, se encontraron realmente pocos antecedentes sobre la existencia de ideas, maquinarias, planos, y otras cosas semejantes al proyecto, ó invención que se consideró, acerca de máquinas desgranadoras para leguminosas que tuvieran vainas; por ello se agruparon  posibles alternativas, indagando siempre sobre el cómo se desgrana una arveja o fríjol, teniendo también en cuenta la naturaleza de dichos alimentos, las características de éstos, las escalas proteínicas, y el tiempo de cosecha; para así lograr más información y aproximación, a la búsqueda de ideas pasadas. Artículos científicos, libros y enciclopedias, proporcionaron ideas, de cómo se podría empezar a elaborar el proyecto. Para este caso, se agruparon 4 posibles alternativas; cada una diferente de la anterior: El primer método es el que consta de inyección hidrostática o de aire ( HHP: high hidrostatic presion) [6], el cual consiste en lograr básicamente un dispositivo, que inicialmente corte una pequeña parte de la  punta de las vainas, que contienen las arvejas, para por dicha abertura, introducir suficiente aire, o agua en su defecto [figura 2], para que se logre separar la vaina, hasta que salgan los granos seguidamente de un extremo a otro, logrando así su recolección; por lo cual se concibe, como de muy alto costo y vasta complejidad constructiva.

Fig.2: Dispositivo inyector de agua a alta presión [7].

Se consideró también el adaptar un sistema de pistones, fabricando un modelo similar al de inyección,  pero sin recurrir al aire; el cual constaría en introducir un pistón alargado y dirigido, en las aberturas hechas a las vainas de las arvejas; para que de esta manera, los granos se desplazasen seguidamente en fila de un extremo a otro. Por otra parte también, se planteó la idea de utilizar una técnica, que consistiera en desprender fragmentos, mediante la aplicación de una fuerza realizada por empuje, con un instrumento adecuado, logrando así presión con rodillos que arrastren las vainas, para que los granos se acumulen en un extremo, y salgan de la “camisa” que los contiene; ya que al agruparse en un solo lado, mediante el desplazamiento por una abertura mínima entre los rodillos en movimiento, se lograría fácilmente separar los residuos (cáscaras), de sus respectivos granos [ figura 3].

Fig. 3: Máquina Tornilladora para harina de maíz, utilizando la presión por medio de rodillos [8].

En cuanto a ventilación, esta última idea consiste en agrupar las vainas correctamente, y acortarlas en secciones iguales, sin que fueran a sufrir daño alguno l os granos que tanto se requieren, para luego de este  proceso, introducir las secciones, en una cámara de aire proporcionado por ventiladores, que provean éste en exceso (figura 4), provocando así, el movimiento de todas las partes cortadas; para que de esta manera, los granos se desprendan de los segmentos de cáscaras, y caigan por su peso en otra sección; logrando así la separación deseada.

Fig. 4: Esquema de cámaras con ventiladores que proporcionan grandes corrientes de aire [9].

Criterios de selección Para comparar las mejores alternativas, y tomar una decisión acerca del diseño básico preeliminar, se identificaron varias variables importantes, como también aquellos factores que pronostican la utilidad y satisfacción de una máquina.

Tabla 1: Categorización de variables

Nº

Variable

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Peso Volumen Capacidad Eficiencia Corrosión Energía (fuente de potencia) Diseño Confiabilidad Tamaño Mantenimiento Cubiertas y elementos estéticos

Todos estos factores, son los que se identificaron como los más importantes, ya que influyen valiosamente. Como ejemplo están: El peso, que afecta de manera considerable el diseño, así como también el tamaño; el volumen, que permite un ajuste significativo en cualquier espacio; la capacidad y la eficiencia, que están estrechamente ligadas y relacionan el operario y el tiempo; logrando así que al considerarlas, se de prioridad a que el diseño de la máquina, sea lo más económico posible, con dispositivos que se adapten al ser humano, implementando en primera instancia herramientas básicas de diseño (Solid Edge®).

Selección de la solución Al comparar y calificar las variables y métodos a usar, anteriormente presentadas, se encontró que el método más importante a emplear, es aplicando presión a través de rodillos, los cuales tienen un grafilado que permite agarrar la leguminosa, separando la vaina y el grano, siendo más eficiente y fácil de utilizar, que los planteados en la revisión del estado del arte; ya que éstos otros métodos, quedaron desplazados  por su alto costo y complejidad de instalación; además las otras ideas requieren de mucho más trabajo, inclusive éstas, estaban incorporando dos ó más procesos seccionados, identificados por un subsistema diferente, por los que debería pasar el producto a manejar. Una de las pocas desventajas que podría presentar la implementación de este método, es que necesitaría  partes o piezas no comerciales, así que se tendría que mandar a producir en grandes cantidades para reducir el costo, piezas que son de vital importancia para su debido funcionamiento, y que no se consiguen fácilmente. La elección de esta opción, fue también debido a la gran cantidad de ventajas, que se obtienen cubriendo la función principal, de desgranar por presión mediante rodillos [figura 5]. Dos rodillos que residirían a una distancia medida, para que así no tengan un efecto de aplastamiento, como los rodillos de rotura, o los rodillos de reducción que son lisos, y se fijan más cercanos o juntos el uno del otro [10]. Estos rodillos también servirían para crear movimiento o desplazamiento de los productos, estableciéndose una red de subsistemas, en donde la velocidad y fuerzas, se distribuyan de manera equitativa sin problema alguno, para no desperdiciar un proceso repetitivo. El mecanismo real, se asocia al uso de la compresión de las vainas, que contienen las semillas de la legumbre, con cargas únicamente radiales [11], esto es debido a las predicciones o a los hechos que se  presentan en la vida cotidiana, frente a este producto; ya que así, se logra agrietar la envoltura que los contiene, obteniendo los granos y semillas, sin tener que pasar por varias etapas de proceso. Otras de las ventajas que favorecieron este método, son; La seguridad de la máquina, ya que no utilizaría materiales o partes peligrosas, como lo son las cuchillas u otros objetos punzantes, que causen daño a la  persona que la está operando; la separación de los granos que se prefieren, de los residuos que no se requieren, sería la mejor y la más eficiente, por el diseño que permitiría una buena organización. La estructura o maquinaria que se le incorporaría, serían máquinas simples; bien podría ser por medio de  poleas, engranes o palancas, de acuerdo a las adaptaciones que se le hagan; pudiendo ser así más eficiente que el hombre, con respecto al tiempo; lográndose mayor cantidad de producto recolectado.

Fig. 5: Diseño y ubicación de los rodillos con sus grafilados.

DISEÑO BASICO Caracterización de subsistemas La parte central del diseño básico de toda máquina, es dividirla en subsistemas, es decir, conjuntos de elementos funcionales afines entre sí. De esta forma se puede analizar cada subsistema por separado sin olvidar su interacción con otros. En la Figura 6 se muestran los subsistemas y las relaciones que hay entre cada uno de ellos con las partes que los conforman.

Rodillos Estos llevan cojinetes, necesarios para que los rodillos giren libremente, sin necesidad de frenarse por fricción. Este subsistema incluye los piñones, que están ubicados en cada rodillo, para transmitir la  potencia de uno a otro, generándose en uno, un giro hacia las manecillas del reloj, y en el otro, un giro contrario a las manecillas de reloj; esto, para crear un agarre a las leguminosas.

Tren de engranajes Conformado por el motor, el cual es eléctrico de 110v, que genera alta velocidad; además, también lo constituyen los piñones, que son un tren de engranajes de cuatro etapas, dando a la salida poca velocidad y alto torque [figura 6].

Carcasa Los cajones son dos: Uno para el almacenaje de las leguminosas desgranadas, y otro para los residuos dejados por las mismas, ya sean líquidos, cáscaras o basuras; este incluye también la carcasa frontal, carcasa posterior y carcasa lateral. Necesarios para la adecuación y montaje de las otras piezas.

Fig. 6: Subsistemas de la máquina desgranadora de arvejas.

Fig. 7: Tren de engranajes, que genera alto torque y baja velocidad a la salida de los rodillos.

Planteamiento y selección de alternativas Este procedimiento permite acercarse a una realidad futura, relacionada con la situación deseada. El objeto principal de la preparación del proyecto, es minimizar los riesgos de inversión, orientar la ejecución y optimizar la utilización de los recursos, mediante el análisis de los elementos que componen el proyecto. Una vez identificada y dimensionada la situación base, y determinados los objetivos del  proyecto, se plantearán alternativas para lograrlos. Estas alternativas, deberán ser probables de ejecutar, de acuerdo con las características de la situación base, alusivas a las condiciones físicas, socioeconómicas y financieras.

Integración de subsistemas Una vez se determinó la totalidad de componentes abordo, se definió su colocación dentro del prototipo a originar [figura 8], para ello, Se utilizó una herramienta de modelación geométrica (Solid Edge®), para la creación de piezas y subensambles.

Fig. 8: Vista del diseño preliminar de la máquina desgranadora de arvejas

CONCLUSIONES La máquina desgranadora de leguminosas por presión de rodillos, es muy apropiada para los requerimientos de plazas de mercado y hogares. Como características podemos reconocer, su seguridad  para la separación del grano y la vaina, confiabilidad, su bajo costo y eficiencia. De la variedad y tipos de rodillos que existen, el diseño con grafilado, es excelente para el agarre de las leguminosas, ya que arrastran la vaina, para ser comprimida y separar así los residuos y el grano. Algunas de las alternativas para realizar otros proyectos, fueron descartadas por su alto costo. Además de que la capacidad económica debía ser mayor, también existía la posibilidad, de que en el ensayo y error se llegara a la conclusión, de que el método no era el más adecuado. Dejamos abierta la posibilidad de fabricar igualmente, una máquina desgranadora de leguminosas para uso industrial, con una tolva, y mayor capacidad de desgrane.

REFERENCIAS [1] Juan M. Vásquez, Luís B. Gutiérrez, (2006) Diseño mecánico preliminar y básico de un sistema para inspección remota de infraestructura eléctrica. Automática y Diseño.

[2] Familia de leguminosas (Universidad Politécnica de valencia). Consultado el 24 de junio del 2007 en: http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas%20Angiospermas/R%C3%B3sidas/Leguminosas/Legumi nosas.htm

[3]  L.N Robert. Diseño de maquinaria: una introducción a la síntesis y el análisis de mecanismos y maquinas. México: Mc Grawhill, 1995 pp. 3- 17, 742- 743 ISBN. 970- 10- 0820- 0

[4] Ibíd. p. 10. [5] SHIGLEY, Joseph. Diseño en Ingeniería Mecánica: capítulo 1, pp.3 – 19. [6]  Y. Estrada-Giro´n, B.G. Swanson y G.V. Barbosa-Ca´novas. (2005). Advances in the use of high hydrostatic pressure for processing cereal grains and legumes. Trends in Food Science & Technology 16 (2005)194–203

[7] Centro de Innovación en diseño y tecnología, CIDyT. On line. Consultado el 25 de junio del 2007 en: http://cidyt.mty.itesm.mx/web/labmaquinados.htm

[8]  Máquina Tornilladora para harina de maíz – Instrucciones. On line. Consultado el 26 de junio del 2007 en:http://www.ciqcaq.ch/Kueche/tortilla/Maschine_Anleitung_sp.htm

[9]  Aguamarket. On line. Consultado el 24 de junio del 2007 en:http://www.aguamarket.com

[10]  Y. Estrada-Giro´n, B.G. Swanson y G.V. Barbosa-Ca´novas. (2005). Advances in the use of high hydrostatic pressure for processing cereal grains and legumes. Trends in Food Science & Technology 16 (2005)194–203

[11] Janusz Laskowski, Grzegorz Lysiak. (1999). Use of compression behaviour of legume seeds in view of impact grinding prediction. Powder Technology 105_1999.83–88