Diseño y construcción de una máquina compactadora de residuos sólidos para la empresa Curtiembre Quisapincha

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA COMPACTADORA DE RESIDUOS SÓLIDOS PARA LA EMPRESA CURTIEMBRE QUISAPINCHA. PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. CAMACHO MUNCHA RUBÉN ELÍAS [email protected]. DIRECTOR: ING. SUNTAXI GUALLICHICO SEGUNDO CARLOS, M.Sc. [email protected]. Quito, ENERO 2019.

(2) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el señor RUBÉN ELÍAS CAMACHO MUNCHA, bajo mi supervisión.. ________________________ Ing. Carlos Suntaxi, M.Sc.. DIRECTOR DE PROYECTO. I.

(3) DECLARACIÓN. Yo, RUBÉN ELÍAS CAMACHO MUNCHA, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ________________________ Rubén Elías Camacho Muncha. II.

(4) DEDICATORIA. A Dios por la capacidad y convicción que me ha dado para alcanzar mis objetivos superando las dificultades a lo largo de mi vida. A mis señores padres Elías Camacho por su esfuerzo diario y su ejemplo de perseverancia a lo largo de este proceso, especialemnte a ud mamita Carmita Muncha que durante estos dos cortos meses de su ausencia desde el cielo me ha guiado para culminar mi proyecto y estoy seguro que donde esté, estará orgullosa de mi. A mis hermanos Milton, Norma, Victoria, Diana y Carmita por todo el ánimo y apoyo que me han brindado en todo momento desde donde se encuentren día a día para que no desmaye y termine con bien mi trabajo. A mi compañera de vida Laura y a mi querido hijo Alexis por su amor y cariño además de ser mis motivos de superación personal para no darme por vencido. A mis cuñados Mónica, Marlon y a mis sobrinitos Bryan y Valentina quienes han sido una alegría más para sacar mayor dedicación y darles un ejemplo. A todos mis compañeros de la carrera universtaria por haber aportado de distintas formas para mi formación profesional y personal.. III.

(5) AGRADECIMIENTO. A la ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL por haber sido un medio de formación acádemica y personal para desarrollar mis estudios y alcanzar mi título de Ingeniero Mecánico. A la FACULTAD DE INGENIERÍA MÉCANICA y todos sus docentes que han sido quienes me encaminaron para la consecución de mi objetivo impartiendo sus conocimientos de la ingeniería. De manera especial al Ingeniero Carlos Suntaxi por enfocarme en mi proyecto de titualción, su paciencia y motivación. A la empresa CURTIEMBRE QUISAPINCHA por permitirme desarrollar mi proyecto y adquirir responsabilidad y poder aportar mediante mi proyecto en su mejora continua. A mis compañeros de la ingeniería por las vivencias y el apoyo en el ámbito académico y personal.. IV.

(6) ÍNDICE Página RESUMEN .................................................................................................................................... XII ABSTRACT .................................................................................................................................. XIII INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 1 Pregunta de investigación ....................................................................................................1 Objetivo general ..................................................................................................................1 Objetivos específicos ...........................................................................................................2 Alcance 2 1.. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 3. 1.1.. Datos generales.....................................................................................................3. 1.2.. Descripción de la situación actual de la empresa .................................................... 3. 1.2.1.. Procesos de producción .........................................................................................3. 1.2.2.. Pelambre ..............................................................................................................3. 1.2.3.. Descarnado ...........................................................................................................3. 1.2.4.. Dividido ................................................................................................................4. 1.2.5.. Curtido..................................................................................................................4. 1.2.6.. Escurrido ...............................................................................................................4. 1.2.7.. Rebajado...............................................................................................................4. 1.2.8.. Teñido ..................................................................................................................5. 1.2.9.. Desvenado ............................................................................................................5. 1.2.10.. Secado al vacío ......................................................................................................5. 1.2.11.. Ablandado ............................................................................................................5. 1.2.12.. Acabado ................................................................................................................5. 1.2.13.. Selección y embalaje .............................................................................................5. 1.2.14.. Volumen de residuos sólidos generados.................................................................5. 1.2.15.. Clasificación de los residuos sólidos generados ...................................................... 6. 1.2.16.. Proceso de recolección y transporte de residuos sólidos actual ...............................6. 1.3.. Tipos y clasificación de máquinas compactadoras para residuos sólidos ..................7. 1.3.1.. Artesanales ...........................................................................................................7. 1.3.2.. Semi-industriales...................................................................................................7. 1.3.3.. Industriales ...........................................................................................................8. 1.3.4.. Compactadora de pistón........................................................................................8. 1.3.5.. Compactadora de tornillo ......................................................................................9. 1.3.6.. Compactadoras hidráulicas y neumáticas ............................................................... 9. 1.3.7.. Compactadora de rodillo ..................................................................................... 10 V.

(7) 1.4. 2.. Análisis de los factores que influyen en el proceso de compactación..................... 11 METODOLOGÍA............................................................................................................... 13. 2.1.. Especificaciones para la máquina compactadora .................................................. 13. 2.1.1.. Casa de la calidad ................................................................................................ 13. 2.1.2.. Voz del usuario.................................................................................................... 13. 2.1.3.. Voz del ingeniero................................................................................................. 14. 2.1.4.. Matriz de la casa de la calidad ............................................................................. 15. 2.1.5.. Análisis de la casa de la calidad ............................................................................ 16. 2.1.6.. Conclusiones de la casa de la calidad.................................................................... 16. 2.1.7.. Establecimiento de las especificaciones técnicas .................................................. 17. 2.1.8.. Diseño conceptual de la máquina compactadora .................................................. 18. 2.1.9.. Análisis funcional ................................................................................................ 18. 2.1.10.. Desarrollo de la estructura funcional ................................................................... 18. 2.1.11.. Determinación de los módulos ............................................................................ 19. 2.1.12.. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN .............................................................................. 20. 2.1.13.. Módulo 1: Entrada y transporte de residuos sólidos ............................................. 20. 2.1.14.. Módulo 2: Homogenizador de residuos sólidos .................................................... 21. 2.1.15.. Módulo 3: compactación y salida de residuos sólidos ........................................... 23. 2.1.16.. Matriz morfológica .............................................................................................. 30. 2.2.. DISEÑO MECÁNICO ............................................................................................. 31. 2.2.1.. Introducción........................................................................................................ 31. 2.2.2.. Consideraciones para el diseño mecánico ............................................................ 31. 2.2.3.. Dimensionamiento del mecanismo compactador de la máquina ........................... 32. 2.2.4.. Diseño del tornillo sin fin ..................................................................................... 32. 2.2.5.. Longitud.............................................................................................................. 32. 2.2.6.. Diámetro............................................................................................................. 32. 2.2.7.. Relación longitud/diámetro ................................................................................. 32. 2.2.8.. Paso de la rosca ................................................................................................... 33. 2.2.9.. Ángulo de filete ................................................................................................... 33. 2.2.10.. Holgura ............................................................................................................... 33. 2.2.11.. Anchura del filete ................................................................................................ 34. 2.2.12.. Producción del tornillo ........................................................................................ 34. 2.2.13.. Flujo de arrastre .................................................................................................. 34. 2.2.14.. Flujo de presión................................................................................................... 34. 2.2.15.. Flujo de pérdidas ................................................................................................. 35. 2.2.16.. Forma geométrica de la boquilla .......................................................................... 35 VI.

(8) 2.2.17.. Cálculo de la potencia del motor .......................................................................... 36. 2.2.18.. Sistema de transmisión de potencia ..................................................................... 36. 2.2.19.. Potencia de diseño .............................................................................................. 36. 2.2.20.. Transmisión en el diferencial ............................................................................... 37. 2.2.21.. Relación de velocidades sistema de poleas........................................................... 37. 2.2.22.. Selección sección de banda .................................................................................. 37. 2.2.23.. Diámetro de la polea conductora ......................................................................... 38. 2.2.24.. Diámetro de la polea conducida........................................................................... 38. 2.2.25.. Distancia entre los centros................................................................................... 38. 2.2.26.. Longitud de banda ............................................................................................... 38. 2.2.27.. Ángulo de contacto ............................................................................................. 39. 2.2.28.. Número de bandas .............................................................................................. 39. 2.2.29.. Cálculo de las fuerzas en las poleas ...................................................................... 40. 2.2.30.. Diseño del eje de transmisión .............................................................................. 41. 2.2.31.. Ánalisis resistencia a la fatiga .............................................................................. 45. 2.2.32.. Cálculos de diámetros del eje .............................................................................. 46. 2.2.33.. Análisis de esfuerzos del tornillo .......................................................................... 48. 2.2.34.. Material del tornillo ............................................................................................ 49. 2.2.35.. Longitud de la cuña del tornillo ............................................................................ 50. 2.2.36.. Selección de rodamientos .................................................................................... 50. 2.2.37.. Diseño del cilíndro ............................................................................................... 51. 2.2.38.. Diseño de las juntas soldadas .............................................................................. 52. 2.2.39.. Soportes de la máquina ....................................................................................... 52. 2.2.40.. Selección de pernos para el acople boquilla-cilindro ............................................. 52. 2.2.41.. Diseño de los pernos a corte ................................................................................ 53. 2.2.42.. Tratamiento de protección sobre la estructura ..................................................... 54. 2.2.43.. Dimensionamiento de las bandejas de recolección ............................................... 54. 2.2.44.. Análisis de esfuerzos, deformaciones del sistema estructural en INVENTOR .......... 55. 2.2.45.. Sistema eléctrico ................................................................................................. 61. 2.2.46.. Dimensionamiento de los conductores del motor................................................. 61. 2.2.47.. Dimensionamiento de contactores del motor....................................................... 61. 2.2.48.. Dimensionamiento de breakers termomagnéticos del motor................................ 62. 2.3.. ANÁLISIS ECONÓMICO......................................................................................... 62. 2.3.1.. Costos directos .................................................................................................... 63. 2.3.2.. Costos totales...................................................................................................... 64. 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................................... 65 VII.

(9) 3.1. RESULTADOS............................................................................................................... 65 3.1.1.. Bandejas de recolección ...................................................................................... 65. 3.1.2.. Tornillo sin fin ..................................................................................................... 65. 3.1.3.. Cilindro ............................................................................................................... 66. 3.1.4.. Acople motriz ...................................................................................................... 67. 3.1.5.. Bastidor para rodamientos .................................................................................. 67. 3.1.6.. Boquilla de descarga............................................................................................ 68. 3.1.7.. Estructura soporte ............................................................................................... 69. 3.1.8.. Comprobación de holgura entre componentes ..................................................... 70. 3.1.9.. Montaje y ensamblaje de componentes ............................................................... 70. 3.1.10.. Etapa de operación y pruebas .............................................................................. 71. 3.1.11.. Mejoras .............................................................................................................. 72. 3.2. DISCUSIÓN .................................................................................................................. 73 4.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 74. 4.1.. CONCLUSIONES ................................................................................................... 74. 4.2.. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 75. Referencias Bibliográficas .................................................................................................. 76 ANEXOS 78. VIII.

(10) ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 1.1. Etapas de producción del cuero. 4 Figura 1.2. Recolección de residuos sólidos de descarnado. 6 Figura 1.3. Recolección para transporte manual. 6 Figura 1.4. Carga de residuos sólidos manual y transporte en camión de la empresa. 7 Figura 1.5. Compactadora de pistón para residuos sólidos. 8 Figura 1.6. Compactadora de tornillo para residuos sólidos. 9 Figura 1.7. Compactadoras hidráulicas y neumáticas para residuos sólidos. 10 Figura 1.8. Compactadora de rodillos para residuos sólidos 10 Figura 2.1. Casa de la calidad máquina compactadora de residuos sólidos. 15 Figura 2.2. Nivel 0. 18 Figura 2.3. Nivel 1. 18 Figura 2.4.Nivel 2. 19 Figura 2.5.Determinación de módulos. 19 Figura 2.6.Bandejas de recolección. 20 Figura 2.7.Tolva de recolección. 21 Figura 2.8. Garganta de alimentación y matriz de agujeros. 22 Figura 2.9. Cilindro neumático. 24 Figura 2.10. Cilindro hidráulico. 25 Figura 2.11. Sistema mecánico. 26 Figura 2.12. Boquilla de descarga. 29 Figura 2.13. Solución Final. 31 Figura 2.14. Fuerzas en poleas. 40 Figura 2.15. Disposición eje-tornillo. 41 Figura 2.16. Relación de diámetros del tornillo. 43 Figura 2.17.Diagrama de fuerza cortante. 43 Figura 2.18.Diagrama de momento flector. 44 Figura 2.19. Punto crítico del tornillo 48 Figura 2.20. Fuerzas a las que están sometidos los pernos. 53 Figura 2.21. Diseño de la bandeja 1. 54 Figura 2.22. Diseño de la bandeja 2. 55 Figura 2.23. Diseño de la tapa superior. 55 Figura 2.24.Bandeja de recolección 1. 56 Figura 2.25. Bandeja de recolección 2. 56 Figura 2.26. Tapa superior. 56 Figura 2.27. Mallado de la bandeja de recolección 1. 56 Figura 2.28. Mallado de la bandeja de recolección 2. 57 Figura 2.29. Mallado de la tapa superior. 57 Figura 2.30. Asignación de las cargas y apoyos en la bandeja de recolección 1. 57 Figura 2.31. Asignación de las cargas y apoyos en la bandeja de recolección 2. 58 Figura 2.32. Asignación de las cargas y apoyos en la tapa superior. 58 Figura 2.33. Desplazamiento máximo en la bandeja de recolección 1. 58 Figura 2.34. Desplazamiento máximo en la bandeja de recolección 2. 59 Figura 2.35. Desplazamiento máximo en la tapa superior. 59 Figura 2.36. Tensión de Von Misses en la bandeja de recolección 1. 59 Figura 2.37. Tensión de Von Misses en la bandeja de recolección 2. 59 Figura 2.38. Tensión de Von Misses en la tapa superior. 60 IX.

(11) Figura 2.39. Coeficiente de seguridad mínimo en la bandeja de recolección 1. Figura 2.40. Coeficiente de seguridad mínimo en la bandeja de recolección 2. Figura 2.41. Coeficiente de seguridad mínimo en la tapa superior. Figura 3.1. Construcción del tornillo sinfín. Figura 3.2. Construcción del cilíndro. Figura 3.3. Construcción del acople motriz. Figura 3.4. Construcción del bastidor. Figura 3.5. Construcción de la boquilla de descarga. Figura 3.6. Construcción de la estructura soporte. Figura 3.7. Comprobación de la holgura entre el cilíndro y el tornillo sinfín. Figura 3.8. Montaje y ensamblaje de componentes. Figura 3.9. Operación en vacío. Figura 3.10. Operación con carga. Figura 4.1. Tipo de banda V. Figura 4.2. Diámetro polea conductora. Figura 4.3.Potencia nominal por banda. Figura 4.4. Factor de corrección de ángulo de contacto. Figura 4.5. Factor de corrección por longitud Figura 4.6. Parámetros del factor de superficie. Figura 4.7. Factor de temperatura. Figura 4.8. Factor de confiabilidad. Figura 4.9. Factor de diseño. Figura 4.10. Factores de concentración de esfuerzos. Figura 4.11. Sensibilidad a la muesca. Figura 4.12. Factor de concentración de esfuerzos por redondeo. Figura 4.13. Tamaño de la cuña en función al diámetro del eje. Figura 4.14. Catálogo de rodamientos de rodillos cónicos. Figura 4.15. Contactor Resistencias eléctricas. Figura 4.16. Conductores eléctricos. Figura 4.17. Breakes termomagnético. Figura 4.18. Motor eléctrico. Figura 4.19. Ficha técnica Acero Inoxidable AISI 304. X. 60 60 60 66 66 67 68 69 70 70 71 71 72 80 81 82 83 83 84 84 85 85 86 86 87 88 89 90 91 91 92 93.

(12) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Especificaciones técnicas de la máquina. Tabla 2.2. Especificaciones técnicas módulo 1. Tabla 2.3. Solución del módulo 1. Tabla 2.4. Especificaciones técnicas módulo 2. Tabla 2.5. Soluciones del módulo 2. Tabla 2.6. Especificaciones técnicas de la máquina módulo 3. Tabla 2.7. Soluciones del módulo 3. Tabla 2.8. Criterios de evaluación. Tabla 2.9. Pesos específicos para los criterios del módulo 3. Tabla 2.10. Criterio: Versatilidad. Tabla 2.11. Criterio: Peso. Tabla 2.12. Criterio: Dimensión. Tabla 2.13. Criterio: Precio. Tabla 2.14. Criterio: Fabricación. Tabla 2.15. Conclusiones. Tabla 2.16. Solución Final. Tabla 2.17.Costo de materiales. Tabla 2.18. Costos directos totales. Tabla 2.19. Costos totales. Tabla 4.1. Tabla de generación de residuos sólidos. Tabla 4.2. Determinación de la densidad de residuos sólidos.. XI. Página 17 21 21 23 23 27 27 27 27 28 28 28 28 28 29 30 63 64 64 79 79.

(13) RESUMEN En el presente documento se muestra el diseño y construcción de una máquina compactadora de residuos sólidos para la empresa CURTIEMBRE QUISAPINCHA. Se realizó una revisión bibliográfica respecto de los procesos de compactación de residuos sólidos, además se describió la situación actual de la empresa en cuanto a los procesos, volumen y clasificación de los residuos sólidos generados. Para establecer las especificaciones técnicas de la máquina se siguió la Metodología del Diseño Concurrente empleando: la Casa de la Calidad, Análisis Funcional, Determinación de Módulos y el Método ordinal de criterios ponderados. Se diseñó los componentes tales como: las bandejas de recolección, el tornillo sinfin y la camisa de acuerdo a las especificaciones y requerimientos los cuales fueron analizados y simulados por elementos finitos y otros componentes seleccionados de catálogos. A continuación se hizo un análisis de costos totales de fabricación de la máquina. Como resultados obtenidos se tiene que la máquina tiene una capacidad de producción de 819,11 kg/h cumpliendo con el requerimiento del usuario. Una vez realizada la etapa de pruebas fue necesario disminuir la holgura entre la boquilla de descarga y el tornillo sinfin en la sección cónica para mejorar la compactación de igual manera se incrementó la profundidad de los canales del roscado del tornillo sinfin a 30 mm con lo cual se corrigió los problemas de falta de compactación y el difícil ingreso de residuos.. Palabras clave: Curtiembre, tratamiento de residuos de curtiembre, compactación de residuos sólidos, separación de residuos.. XII.

(14) ABSTRACT. In this document the design and construction of a solid waste compactor machine for the company CURTIEMBRE QUISAPINCHA is shown. A bibliographic review was made regarding the solid waste compaction processes, and the current situation of the company was described in terms of the processes, volume and classification of the solid waste generated. For the establishment of the technical specifications of the machine followed the Methodology of Concurrent Design using: the House of Quality, Functional Analysis, Determination of Modules and the ordinal method of weighted criteria. The components were designed such as: the collection trays, the auger and the jacket according to the specifications and requirements which were analyzed and simulated by finite elements and other components selected from catalogs. Next, an analysis of the total costs of manufacturing the machine was made. The results obtained show that the machine has a production capacity of 819,11 kg/h complying with the user's requirement. Once the testing stage was carried out, it was necessary to decrease the clearance between the discharge nozzle and the worm in the conical section to improve the compaction, in the same way the depth of the channels of the worm screw thread was increased to 30 mm. The problems of lack of compaction and the difficult entry of waste were corrected.. Keywords: Tannery, treatment of tannery waste, solid waste compaction, waste separation.. XIII.

(15) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA COMPACTADORA DE RESIDUOS SÓLIDOS PARA LA EMPRESA CURTIEMBRE QUISAPINCHA INTRODUCCIÓN El hecho de la reducción de las emisiones de residuos sólidos al medio ambiente y el mejoramiento del proceso de recolección y transporte de los mismos, han generado el interés por parte de la empresa Curtiembre Quisapincha para desarrollar e implementar un sistema de este tipo siendo el único en su clase ya que se establecerá de acuerdo a sus necesidades. Al conocer la futura disposición de una nueva ordenanza por parte del Municipio de Ambato y la Empresa Pública Municipal para la Gestión Integral de Desechos Sólidos de Ambato (GIDSA) para el cobro de aranceles por tonelada de residuos sólidos del sector curtidor; surge la necesidad de llevar a cabo el desarrollo de este proyecto, a fin de dar cumplimiento a la normativa a establecerse y al cuidado del medio ambiente. El diseño y construcción de la máquina se lo realiza empleando materiales inoxidables para asegurar su resistencia a los agentes químicos presentes en los residuos sólidos y su función principal será la de compactarlos que es el objetivo del proyecto. Además de cumplir con los requerimientos establecidos solicitados, con la ayuda del estudio previo y de acuerdo con los esfuerzos mecánicos a los que va estar sometida la máquina. De igual manera considerando el presupuesto establecido se diseño y construyó la misma usando elementos normalizados y materiales más comerciales en el medio.. Pregunta de investigación ¿Se puede separar y compactar los residuos sólidos del proceso de curtiembre de manera continua en la empresa Curtiembre Quisapincha?. Objetivo general Diseñar y construir una máquina compactadora de residuos sólidos para la empresa Curtiembre Quisapincha. 1.

(16) Objetivos específicos 1. Revisar la bibliografía acerca de los procesos de compactación de residuos sólidos de curtiembre. 2. Conocer la situación actual de la empresa sus procesos, volumen y clasificación de los residuos sólidos. 3. Establecer las especificaciones técnicas que cumplan los requerimientos de compactación de residuos sólidos. 4. Diseñar los elementos mecánicos de la máquina y sus sistemas asociados para su correcto funcionamiento. 5. Elaborar un análisis de costos de fabricación. 6. Construir la máquina compactadora de residuos sólidos y realizar pruebas de desempeño.. Alcance Se realizará el diseño y construcción de una máquina compactadora para residuos sólidos, de acuerdo a las necesidades específicas de la empresa Curtiembre Quisapincha.. 2.

(17) 1. MARCO TEÓRICO En este capítulo se indican una reseña acerca de los datos generales de la empresa pasando a una descripción de su situación actual. Además los principales procesos que se realizan para conseguir cuero acabado. Se señalan aspectos como el volumen de residuos sólidos generados, clasificación de los residuos sólidos, el proceso de recolección y transporte actual con el que cuenta la empresa. Seguidamente se establecen los tipos y clasificación de las máquinas compactadoras de residuos sólidos y finalemente se muestran los principales factores que influyen en el proceso de compactación de los mismos.. 1.1. Datos generales Curtiembre Quisapincha es un empresa dedicada al procesamiento del cuero iniciando con la materia prima (cuero crudo) pasando por varias etapas de procesos. químicos y. mécanicos hasta obtener el producto final (cuero terminado). Está ubicada en la Parroquia de Quisapincha cantón Ambato provincia de Tungurahua es una empresa que brinda los servicios de cuero terminado y artículos fabricados en cuero.. 1.2. Descripción de la situación actual de la empresa 1.2.1. Procesos de producción En esta sección se muestra un diagrama de flujo en la figura 1.1. para tener una visión global de las etapas de producción del cuero y a continuación se explican los procesos desde que se tiene el cuero como materia prima hasta que llega a ser un producto terminado.. 1.2.2. Pelambre Proceso inicial de la elaboración del cuero que consiste en realizar un remojo del cuero para retirar restos de grasas y sangre empleando desengrasantes y bactericidas. Seguidamente se realiza un proceso químico de depilación del pelo del cuero a través de un proceso químico empleado sulfuro, cal y otros aditivos.. 1.2.3. Descarnado Consiste en descarnar los restos de grasas y carnazas mediante una máquina descarnadora a través de rodillos con cuchillas aplicados sobre el revés del cuero. 3.

(18) Figura 1.1. Etapas de producción del cuero. (Fuente: Calzados de cuero, 2014). 1.2.4. Dividido Consiste en dividir el cuero a través de una cuchilla horizontal en dos capas una superior llamada flor de 2,8 a 3,5 mm de espesor y la inferior conocida como carnaza.. 1.2.5. Curtido Proceso químico para transformar al cuero a un estado resistente a la descomposición empleando sulfato y sales de cromo.. 1.2.6. Escurrido Consiste en retirar el exceso de agua residual del cuero luego del curtido mecánicamente haciendo pasar el cuero entre dos rodillos a presión.. 1.2.7. Rebajado Consiste en desvastar mecánicamente el cuero con un rodillo de cuchillas aplicado por el revés a espesores de 0,7 mm, 12 mm y 1,8 mm de espesor de acuerdo a las necesidades. 4.

(19) 1.2.8. Teñido Proceso químico para tinturar y engrasar el cuero empleando anilinas, dispersantes, acrílicos y grasas vegetales aptas para el proceso del cuero.. 1.2.9. Desvenado Consiste en estirar y escurrir mecánicamente el cuero por medio de rodillos de cuchillas y felpas de escurrido.. 1.2.10.. Secado al vacío. Consiste en extraer el exceso de humedad del cuero mecánicamente aplicando planchas métalicas calientes sobre su revés.. 1.2.11.. Ablandado. Consiste en suavizar las fibras del cuero mecánicamente a tráves de una máquina que realiza un golpeteo constante sobre toda la superficie del mismo.. 1.2.12.. Acabado. Consiste en darle tonalidades y brillos a la superficie del cuero (flor) mediante la aplicación por spray de soluciones de ceras, pigmentos y lacas al agua. Además de texturas y grabados empleando prensas con placas de grabados en caliente.. 1.2.13.. Selección y embalaje. Proceso de clasificación de calidades: primera, segunda y tercera de acuerdo a los defectos del cuero propios del mismo y a solturas de flor por el proceso mismo. El embalaje consiste en apilar grupos de 10 a 12 cueros y enrollarlos para su etiquetado y posterior distribución.. 1.2.14.. Volumen de residuos sólidos generados. Para la determinación del volumen de residuos sólidos generados se realizó tomas de datos durante la operación de la máquina descarnadora (VER ANEXO I). Con lo cual se pudo determinar una generación de 302 kg/h además de tener un valor de residuos sólidos extras de 210 kg/h; por lo cual se establece un volumen de generación aproximado es de 500 kg/h.. 5.

(20) 1.2.15.. Clasificación de los residuos sólidos generados. Para establecer una clasificación de los residuos sólidos dentro de la empresa se tiene tres tipos. o. Residuos sólidos de pelambre (restos de pelo). o. Residuos sólidos del descarnado (carnazas y restos de grasas). o. Residuos sólidos de curtido (restos de carnazas). 1.2.16.. Proceso de recolección y transporte de residuos sólidos actual. El proceso de recolección es un paso totalmente empírico; el cual se lo realiza almacenando en un tanque contenedor de concreto de un volumen aproximado de 6,22 m3 ubicado delante y debajo de la máquina descarnadora donde caen por gravedad los residuos sólidos del descarnado como se muestra en la figura 1.2.. Figura 1.2. Recolección de residuos sólidos de descarnado. (Fuente: Propia, 2019). Además este tanque sirve de recolector de los otros residuos provenientes del pelambre y del curtido cuya recolección se la realiza mediante contenedores de plástico (baldes) de forma manual como se muestra en la figura 1.3.. Figura 1.3. Recolección para transporte manual. (Fuente: Propia, 2019). 6.

(21) La etapa de transporte de los residuos sólidos se la realiza bajo un permiso otorgado a las curtiembres. Se lo hace cargando manualmente los residuos sólidos al camión recolector de la empresa el cual cuenta con un cajón cuyo volumen es aproximadamente de 18 m3 y un sistema de recolección de aguas residuales; donde se depositan los residuos generados durante el proceso de producción y posteriormente son transportados con cobertores plásticos dos veces a la semana como se muestra en la figura 1.4.. Figura 1.4. Carga de residuos sólidos manual y transporte en camión de la empresa. (Fuente: Propia, 2019). 1.3. Tipos y clasificación de máquinas compactadoras para residuos sólidos La compactación es el proceso en el cual se obtienen bloques sólidos resultado de compactar o comprimir residuos de cualquier tipo manualmente o a través del uso de máquinas. Existen varios tipos de máquinas compactadoras como. o. Artesanales. o. Semi-industriales. o. Industriales. 1.3.1. Artesanales En este tipo no se emplea máquinas ya que no se trabaja con grandes cantidades de residuos y se requiere realizar la compactación de manera fácil y rápida. La presión de compactación utilizada es baja se emplea es de hasta 5 MPa. (Fonseca & Tierra T., 2011). 1.3.2. Semi-industriales En este tipo de proceso la presión utilizada se encuentra en el rango de 5 MPa a 100 MPa; el proceso de fabricación es continuo teniendo producciones medianas.. 7.

(22) En el proceso semi-industrial la presión es mayor que en el proceso artesanal, La materia prima se debe secar si es necesario previo al proceso, ya que esta debe estar en un rango entre 15 a 20% de humedad. (Fonseca & Tierra T., 2011). 1.3.3. Industriales Para los procesos industriales se trabaja con equipos de altas presiones de compactación que están desde los 100 MPa en adelante y en grandes producciones. La materia prima debe ser lo más seca posible; la humedad del material debe estar en el rango de 5 al 15% siendo óptimo de 7 al 12% y el tamaño de las partículas menor a 15 mm. (Fonseca & Tierra T., 2011) La clasificación de las máquinas compactadoras es variada para lo cual se establece acorde al trabajo con residuos sólidos. Existen varias tecnologías de compactación como. o. Compactadora de pistón.. o. Compactadora de tornillo.. o. Compactadoras hidráulicas y neumáticas.. o. Compactadora de rodillos.. 1.3.4. Compactadora de pistón Su funcionamiento se basa en el golpeteo de un pistón por medio de un volante de inercia sobre la materia prima. El pistón comprime la materia prima contra una placa o matriz, que tiene un orificio con el perfil final del bloque que se desea obtener como se muestra en la figura 1.5. Es una máquina de alta presión de compactación y con una humedad de materia prima de 15 a 17%. La producción que se alcanza está comprendido entre 200 y 1500 kg/h. Las densidades conseguidas suelen estar entre 1000 y 1200 kg/m3.. Figura 1.5. Compactadora de pistón para residuos sólidos. (Fuente: Accesible, 2018). 8.

(23) En este método el material puede ser alimentado por gravedad, por un tornillo o pistón alimentador. El consumo de energía en estos equipos esta aproximadamente entre 20 y 60 W/kg. (Ortiz Torres, 2008). 1.3.5. Compactadora de tornillo El proceso se basa en la presión ejercida sobre la materia prima por medio de un tornillo sin fin fabricado de un material especial, que gira a cierta velocidad haciendo avanzar el material hasta una cámara donde se reduce lentamente en forma cónica, algunos de estos equipos posee una camisa térmica para aumentar la temperatura y favorecer a la plastificación de la materia prima como se muestra en la figura 1.6.. Figura 1.6. Compactadora de tornillo para residuos sólidos. (Fuente: Tecmoncade, 2018). La producción está comprendida entre los 500 y 2500 kg/h, mediante este proceso de extrusión se puede obtener bloques de mayor densidad que el método por impacto alcanzando densidades de aproximadamente 1000 a 1400 kg/m3. Las máquinas que trabajan con un sistema de calefacción forzado, la humedad de las partículas esta entre 12 y 15 %. El consumo de energía de estas máquinas varía entre 50 a 60 W/kg. (Ortiz Torres, 2008). 1.3.6. Compactadoras hidráulicas y neumáticas La presión generada de estas máquinas es dada por 1, 2 o 3 pistones accionados por sistemas hidráulicos o neumáticos. Este método es utilizado cuando se trabaja con materiales de mala calidad como algodón, papel, aserrín húmedo, etc. o cuando no se quiere una buena calidad del producto final como se muestra en la figura 1.7. 9.

(24) Figura 1.7. Compactadoras hidráulicas y neumáticas para residuos sólidos. (Fuente: Abecom, 2014). Las presiones alcanzadas de estos equipos están aproximadamente entre 20, 40 y 58 MPa. Su producción varía entre los 50 y 500 kg/h. La densidad alcanzada es de 700 a 800 kg/m3. La energía que consumen estos equipos es de 40 a 120 W/kg. (Ortiz Torres, 2008). 1.3.7. Compactadora de rodillo Estas máquinas están dotados de dos rodillos, en la superficie de los mismos se encuentran una serie de rebajes donde se aloja el material a ser compactado, quedando comprimido por la acción del otro rodillo como se muestra en la figura 1.8. Se emplean cuando no se requiere de altas densidades finales como por ejemplo los bloques de carbón vegetal. (Ortiz Torres, 2008). Figura 1.8. Compactadora de rodillos para residuos sólidos (Fuente: YENCHEN MACHINERY CO., LTD., 2019). 10.

(25) 1.4. Análisis de los factores que influyen en el proceso de compactación Los factores que influyen en el proceso de compactación principalmente se consideran los siguientes. o. Humedad. o. Tamaño de partículas. o. Temperatura. o. Presión. 1.4.1. Humedad Según (Fonseca & Tierra T., 2011), la humedad de la materia prima depende del tipo de proceso que se realizará, mayores al 20% en el proceso artesanal, del 15 al 20% en el semi-industrial y del 5 al 15% para el industrial. 1.4.2. Tamaño de partícula En la mayor parte de la materia orgánica se dificulta la compactación de forma directa, por esta razón las partículas del material orgánico deben tener un tamaño adecuado de entre 5 a 10 mm que permitan una correcta ubicación entre los espacios vacíos de la estructura, consiguiendo una mejor compactación y aspecto del bloque. La materia prima a procesar deberá contener partículas largas y cortas. La longitud inicial de la partícula dependerá del material, lo cual influye en el tipo de proceso que se vaya a realizar, seleccionar un adecuado tipo del dado y equipo, es decir que el tamaño de las partículas dependerá del tipo de máquina y dado(boquilla) de descarga. 1.4.3. Temperatura Existen dos formas que ayudan al calentamiento de la materia prima, una de ellas se origina mediante la fricción de las partículas del material entre ellas o con las paredes del cilindro; la segunda se origina mediante la entrega de calor del sistema de calentamiento (resistencias eléctricas) a temperaturas que oscilan entre 60 y 100°C. (Nanjing Pellet Mill Co., Ltd㸦NPM ).. 11.

(26) 1.4.4. Presión La compactación residual incorpora un conjunto de tecnologías para la transformación de materiales, además de ventajas de transporte, manejo y almacenamiento. Según la presión de compactación las tecnologías utilizadas se pueden clasificar en equipos: o. De altas presiones de compactación desde los 100 MPa en adelante.. o. De medianas presiones de compactación desde 5MPa hsta 100 MPa, con sistema de calentamiento.. o. De bajas presiones hasta 5 MPa. (Gover, 1996). Debido a la presión las partículas a compactar tiende a comportarse como sólidos frágiles, los cuales se fracturan y se acomodan hasta que los fragmentos son capaces de soportar la presión ejercida. Al finalizar la etapa de compactación en donde la presión ejercida es mayor, se alcanza un cuasi equilibrio en el cual el producto compactado soporta la presión externa. (Blesa, 2002). 12.

(27) 2. METODOLOGÍA Para el desarrollo del diseño de la máquina se manejan los conceptos y métodos establecidos según el texto de Diseño Concurrente de Riba enfocados en las especificaciones del diseño de acuerdo a los distintos requerimientos y la evaluación de los criterios seleccionados. Se analiza los procesos de curtiembre generadores de los residuos sólidos, la cantidad y el tipo de residuos sólidos a compactar; así como las restricciones de área de ubicación y anclaje de la máquina. Como complemento del diseño, se establece un análisis económico en cuanto a construcción y montaje y así establecer un grupo de conclusiones del proyecto.. 2.1. Especificaciones para la máquina compactadora 2.1.1. Casa de la calidad Se constituye en el paso preliminar para el desarrollo de la función de calidad QFD (quality function deployment). Es un método globalizador cuyo objetivo principal es asegurar que en la definición de un producto o servicio se han considerado las necesidades y requerimientos de los usuarios. Consiste en un proceso estructurado que permite traducir los requerimientos, demandas y deseos de los usuarios en requerimientos técnicos de ingeniería en cada fase del diseño y de la fabricación. (Riba, 2002). 2.1.2. Voz del usuario Se recogerán las necesidades del usuario para lo cual se realizaron entrevistas personales: o. Entrevista 1 realizada el 5 de Julio de 2018: Sr. Elías Camacho(Gerente General) como usuario manifestó la necesidad de implementar una máquina compactadora de residuos sólidos para lo cual se realizó una serie de preguntas acerca de los requerimientos posibles para realizar un diseño preliminar, características que se señalan a continuación.. o. Entrevista 2 realizada el 9 de Julio de 2018: Ing. Milton Camacho(Jefe de producción) manifestó la necesidad de implementar una máquina de este tipo la cual sirva para la reducción del volumen de las descargas de residuos sólidos, de igual manera se realizaron preguntas acerca de los datos técnicos acerca de la generación de residuos sólidos y la ubicación de la máquina en el proceso.. o. Entrevista 3 realizada el 16 de Julio de 2018: Sr: Gonzalo Quispe(Servicios de mantenimiento externo) basándose en su experiencia en este tipo de máquinas manifestó parámetros técnicos como capacidades, materiales, características a. 13.

(28) considerar en el diseño de la máquina los cuales fueron sintetizados en la lista mostrada a continuación. Realizadas las entrevistas se obtuvo esta información de la empresa, en este caso Curtiembre Quisapincha para realizar el análisis de este campo. o. Debe transportar los residuos continuamente.. o. Debe tener alimentación eléctrica.. o. Debe ser montable y desmontable sobre la cimentación del tanque de recolección de residuos sólidos frente a la máquina Descarnadora.. o. Debe resistir a la acción de agentes químicos.. o. Debe permitir un mantenimiento y limpieza accesibles.. o. Debe ser de fácil manejo.. o. Debe cumplir un régimen o ciclo continuo de trabajo.. o. Debe permitir la evacuación de aguas residuales.. o. Debe permitir la compactación de los residuos sólidos.. o. Debe ser económica.. o. Debe garantizar la seguridad del operador. 2.1.3. Voz del ingeniero A partir de las necesidades establecidas por el usuario se transformarán en parámetros técnicos que permitan satisfacer los requerimientos del usuario. o. Alimentación de residuos sólidos continua. o. Fuente de Alimentación a 220V y 60Hz. o. Área de ubicación y anclaje. o. Materiales inoxidables. o. Número de mantenimientos al año. o. Mando semiautomático. o. Funcionalidad: 4 h/día cada dos días. o. Garganta de alimentación. o. Descarga de aguas residuales. o. Potencia de compactación. o. Bajo Costo. o. Seguridad. 14.

(29) 2.1.4. Matriz de la casa de la calidad En esta sección se emplea una herramienta del diseño que es la casa de la calidad recogiendo las necesidades del usuario, en este caso Curtiembre Quisapincha para realizar el análisis de este campo y se realiza las valoraciones correspondientes consiguiendo los resultados mostrados en la figura 2.1.. Figura 2.1. Casa de la calidad máquina compactadora de residuos sólidos. (Fuente: Propia, 2018). 15.

(30) 2.1.5. Análisis de la casa de la calidad Las necesidades del usuario y la voz del ingeniero son ingresadas a la matriz para su correspondiente evaluación. En la figura 2.1. se muestra la matriz de la casa de la calidad otorgando un factor de incidencia acorde al grado con el cual se satisfaga los requerimientos del usuario sea fuerte, mediano o débil, a fin de evaluar cada uno de los aspectos técnicos. A razón de no contar con experiencia en la producción de máquinas se toma como valor referencial 1 para el análisis de competencia y en la evaluación técnica. En la sección correspondiente al techo de la casa van señalados los compromisos indicando la relación sea positiva o negativa de la relación entre aspectos técnicos. Posteriormente, fundamentado en modelos de máquinas análogos que se comercializan en el mercado local se establecen los objetivos del diseño orientado a la construcción.. 2.1.6. Conclusiones de la casa de la calidad El resultado indica que hay que concentrar los esfuerzos en los puntos que comprenden el 58,5% de exigencias del usuario y a través de los cuales se espera satisfacer los requerimientos de la empresa y son: o. Transportar los residuos sólidos automáticamente 11%. o. Homogenizar el tamaño de los residuos sólidos 11%f. o. Compactar los residuos sólidos 11%. o. Régimen de trabajo continuo 8,5%. o. Resistencia a agentes químicos 8,5%. o. Económica 8,5 %. Luego se decide evaluar la incidencia de las características técnicas en la mejora del producto las cuales tienen incidencias significativas (57,6% del total) y son: o. Alimentación de residuos sólidos continua. o. Potencia de trituración. o. Potencia de compactación. o. Régimen de trabajo. o. Materiales inoxidables. Para este caso la selección de las potencias debe ser la adecuada, por lo cual se elegirán los componentes necesarios que permitan las máximas potencias para cumplir sus funciones. La descarga de aguas residuales se espera llevarla a cabo en las tres etapas de transporte, homogenización y compactación. En cuanto a las dimensiones de la 16.

(31) máquina se deberá tomar en cuenta el área de ubicación y anclaje propuestos por la empresa. El funcionamiento de la máquina será semiautomático, requerimiento establecido por el usuario. Finalmente, no se debe desestimar el costo de la máquina ya que se cuenta con un presupuesto preestablecido y el aspecto de seguridad como factores igualmente importantes.. 2.1.7. Establecimiento de las especificaciones técnicas Luego de analizar las necesidades del usuario, se define el desarrollo del producto (máquina), en la tabla 2.1. donde se verá más detalladamente las características técnicas que presentará la máquina compactadora de residuos sólidos. Tabla 2.1. Especificaciones técnicas de la máquina. Empresa/Cliente: Fecha inicial: 06/09/2018 Producto: CURTIMEBRE Última revisión: 25/11/2018 MÁQUINA QUISAPINCHA COMPACTADORA DE Diseñador: Rubén RESIDUOS SÓLIDOS Página 1 E. Camacho M. ESPECIFICACIONES Concepto Fecha Propone R/D Descripción Sistema para transportar y compactar Función 15/09/2018 C R residuos sólidos Dimensiones del sistema de transporte: 15/09/2018 C+D R ancho 500mm longitud 3500mm altura 400mm Dimensiones: 15/09/2018 C+D R Tolva 500mmx500mmm Dimensiones del sistema de Dimensiones compactación: Ducto: diámetro 129,4mm longitud 1500mm 15/09/2018 C+D R Sin fin: longitud 1500mm paso ángulo de ataque 50,8mm Estructura de sujeción del ducto con sin fin: Perfil en C Movimientos 15/09/2018 C+D D Movimientos de rotación y traslación Fuerzas. 15/09/2018. C+D. R. Torque y compresión. Energía. 15/09/2018. C. D. Fuente de alimentación: 220V 60Hz Sistema de compactación: 10HP. Materiales. 15/09/2018. C. R. Materiales inoxidables. Señales y control. 15/09/2018. C+I. D. Caja de control ON-OFF. Costos. 15/09/2018. C+I. R. Presupuesto: 6000 dólares americanos. Vida útil. 15/09/2018. C+I. D. 10 años. Propone: C = cliente; D = diseño; P = Producción R/D: R = requerimiento; RM = Requerimiento modificado; RN = Requerimiento nuevo; D = Deseo (Fuente: Propia, 2018). 17.

(32) 2.1.8. Diseño conceptual de la máquina compactadora 2.1.9. Análisis funcional El análisis funcional de un producto consiste en determinar cuidadosamente la función principal de la máquina para luego dividirla en sub-funciones claramente detalladas. Las divisiones modulares dependen del producto que se esté analizando y sus subdivisiones pueden tener un mayor o menor grado según los criterios del ingeniero. Cada módulo debe ir conectado con interfaces que pueden ser de tipo mecánica energética, de transferencia de materiales o señal. (Riba, 2002). 2.1.10.. Desarrollo de la estructura funcional. En esta sección se describen las funciones y sub-funciones de acuerdo a los niveles correspondientes establecidos por medio del análisis funcional. NIVEL 0: Este nivel la función general o principal y muestra el funcionamiento de la máquina la cual se muestra en la figura 2.2.. Figura 2.2. Nivel 0. (Fuente: Propia, 2018). NIVEL 1: Este nivel detalla las funciones principales que realiza la máquina para cumplir su función global y se muestra en la figura 2.3.. Figura 2.3. Nivel 1. (Fuente: Propia, 2018). 18.

(33) NIVEL 2: En este nivel se consideran las sub-funciones que realizará cada función del nivel 1 y permitirán la operación adecuada de la máquina y se muestra en la figura 2.4.. Figura 2.4.Nivel 2. (Fuente: Propia, 2018). 2.1.11.. Determinación de los módulos. Luego de la obtención del nivel 2 de la estructura o diagrama funcional presentada en el inciso anterior se establece los módulos para facilitar el proceso de diseño de la máquina cuyos módulos principales de señalan a continuación y se muestran en la figura 2.5: o. MÓDULO 1: Entrada y transporte de residuos sólidos. o. MÓDULO 2: Homogenización de residuos sólidos. o. MÓDULO 3: Compactación y salida de residuos sólidos. Figura 2.5.Determinación de módulos. (Fuente: Propia, 2018). 19.

(34) 2.1.12.. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN. 2.1.13.. Módulo 1: Entrada y transporte de residuos sólidos. En el módulo 1 se realizan las funciones: o. Recibir y transportar los residuos sólidos. Recibir residuos sólidos Para la solución de esta función debido al espacio reducido con el que se cuenta se establece como una única solución posible: adecuar dos bandejas de recolección dispuestas con un ángulo de inclinación como se muestra en la figura 2.6. acopladas en la parte inferior de la máquina descarnadora y una tapa superior que recoja aguas residuales al momento de la limpieza de la misma; para que cumplan su objetivo de recibir los residuos sólidos y por gravedad dejarlos caer hacia la etapa posterior en el homogenizador.. Figura 2.6.Bandejas de recolección. (Fuente: Propia, 2018). VENTAJAS o. Recolección de grandes volúmenes.. o. Soportan grandes pesos.. o. Eficacia.. o. Sistema de funcionamiento sencillo y de muy bajo mantenimiento.. o. Altas capacidades de almacenamiento, sin excesiva altura.. o. Totalmente desmontable.. DESVENTAJAS o. Requiere limpieza antes y después del proceso. o. Requiere procesos de soldadura y prefabricación. Determinación de alternativas al módulo entrada y transporte de residuos sólidos A continuación, se establece una combinación de las soluciones propuestas en el apartado anterior para obtener una solución integral al módulo propuesto, como se muestra en la tabla 2.2. 20.

(35) Tabla 2.2. Especificaciones técnicas módulo 1. Función. Soluciones Bandeja de recolección 1. Recibir y Bandeja de recolección 2. transportar los residuos sólidos. Tapa superior (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.3. Solución del módulo 1. Alternativa 1: Bandeja de recolección 1, bandeja de recolección 2, tapa superior (Fuente: Propia, 2018). Al tener soluciones únicas acordes a los requerimientos del usuario, para este módulo no se emplea el método ordinal de criterios ponderados.. 2.1.14.. Módulo 2: Homogenizador de residuos sólidos. En el módulo 2 se realizan las funciones: o. Recibir los residuos sólidos. o. Homogenizar residuos sólidos y escurrir aguas residuales. Recibir residuos sólidos En esta etapa para la recepción de los residuos sólidos escurridos provenientes de la etapa anterior se establece como solución posible: adecuar una tolva de recolección que permita que los residuos sólidos caigan por gravedad e ingresen a la etapa de trituración como se muestra en la figura 2.7.. Figura 2.7.Tolva de recolección. (Fuente: Propia, 2018). 21.

(36) Ventajas o. Garantizan una alimentación continua. o. Peso reducido. o. Durabilidad y resistencia. o. Carga directa de los residuos sólidos. o. Resistencia a agentes químicos. Desventajas o. Mantenimiento periódico. o. Requiere componentes de fijación. Homogenizar residuos sólidos y escurrir aguas residuales Para dar solución a esta función del módulo 2 se establece con solución única: adecuar una garganta de alimentación en el cilindro de carga en función al diámetro del tornillo sin fin para tener un flujo de material constante y para el escurrido de aguas residuales se plantea realizar una matriz de perforaciones en la parte inferior del cilindro para que estas caigan por gravedad al exterior como se indica en la figura 2.8. Así mismo como solución a la acumulación de aguas residuales y grasas en los agujeros se plantea la limpieza mediante chorro de agua a presión una vez terminado el proceso de la máquina suministro con el que se cuenta en las instalaciones.. Figura 2.8. Garganta de alimentación y matriz de agujeros. (Fuente: Propia, 2018). Ventajas o. Flujo de material constante. o. Matriz de agujeros adaptable. o. Tamaño y peso reducidos. o. Escurrido de aguas residuales por gravedad. 22.

(37) Desventajas o. Limitación en la cantidad de flujo. o. Requiere procesos extra de mecanizado. o. Acumulación de grasa entre los agujeros. Determinación de alternativas al módulo homogenizador de residuos sólidos A continuación, se establece una combinación de las soluciones propuestas en el apartado anterior para obtener una solución integral al módulo propuesto, como se muestra en la tabla 2.4. Tabla 2.4. Especificaciones técnicas módulo 2. Función. Soluciones. Recibir los residuos sólidos. Tolva de recolección. Homogenizar el tamaño de los residuos sólidos y escurrir aguas. Garganta de alimentación y matriz de agujeros. residuales (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.5. Soluciones del módulo 2. Alternativa 1: Tolva de recolección, garganta de alimentación y matriz de agujeros (Fuente: Propia, 2018). Al tener soluciones únicas acordes a los requerimientos del usuario, para este módulo no se emplea el método ordinal de criterios ponderados.. 2.1.15.. Módulo 3: compactación y salida de residuos sólidos. En el módulo 3 se realizan las funciones: o. Compactar y evacuar residuos sólidos. Compactar y evacuar los residuos sólidos Como posibles soluciones a esta función del módulo 3 se establece: sistema neumático, sistema hidráulico y sistema mecánico como se muestra en las figuras 2.9., 2.10. y 2.11.. 23.

(38) COMAPCTACIÓN POR SISTEMA NEUMÁTICO. Figura 2.9. Cilindro neumático. (Fuente: Propia, 2017). Ventajas o. Fluido de trabajo (aire) abundante.. o. Almacenamiento del fluido (aire) y compresión en acumuladores o tanques.. o. Puede ser transportado y utilizado donde y cuando se precise.. o. Fluido no inflamable.. o. De uso muy versátil (sin riesgo de electricidad estática).. o. El fluido puede trabajar a temperaturas extremas.. o. Diseño y constitución de los elementos fácil y de simple conexión.. o. Se obtienen velocidades muy elevadas.. o. Las velocidades y fuerzas pueden regularse de manera continua y escalonada.. o. Se puede llegar en los elementos neumáticos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.. Desventajas o. El aire comprimido requiere la eliminación de impurezas y humedad.. o. La obtención de aire comprimido es costosa.. o. Sistema ruidoso.. o. No se obtienen velocidades uniformes en los elementos de trabajo.. o. Fuente de energía costosa.. 24.

(39) COMPACTACIÓN POR SISTEMA HIDRÁULICO. Figura 2.10. Cilindro hidráulico. (Fuente Propia). Ventajas o. Las fuerzas pueden regularse de manera continua.. o. Se puede llegar en los elementos hidráulicos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.. o. El fluido de trabajo (aceite) se adapta a las tuberías.. o. Transmisión de fuerza similar a una barra de acero.. o. Los elementos son reversibles y se pueden frenar en marcha.. o. Contiene pocas piezas en movimiento (bombas, motores y cilindros).. o. Multiplicación de fuerzas (prensa hidráulica).. Desventajas o. Se obtienen velocidades bajas en los actuadores.. o. Requieren limpieza del fluido considerable.. o. Exige un buen mantenimiento (alta presión).. o. Componentes costosos (bombas, motores, válvulas proporcionales y servo válvulas).. 25.

(40) COMPACTACIÓN POR SISTEMA MECÁNICO. Figura 2.11. Sistema mecánico. (Fuente: Accesible, 2017). Ventajas o. Reducción considerable del volumen (residuos) en proporción hasta de 5 a 1.. o. Los compactadores alojan los residuos en depósitos herméticos y bien cerrados.. o. No desprenden olores desagradables.. o. Ahorra dinero en cuanto a las gestiones de residuos.. o. Adaptables en el exterior de instalaciones.. o. Resultan sumamente útiles.. Desventajas o. Requiere espacio acorde al volumen de residuos a procesar. o. Funcionamiento sólo a bajas velocidades, porque puede deslizar.. o. La transmisión de potencia es limitada. Determinación de alternativas al módulo compactación y salida de residuos sólidos A continuación, se establece una combinación de las soluciones propuestas en el apartado anterior para obtener una solución integral al módulo propuesto, como se muestra en la tabla 2.6:. 26.

(41) Tabla 2.6. Especificaciones técnicas de la máquina módulo 3. Función. Soluciones. Compactar los residuos sólidos. Sistema hidráulico. Sistema neumático. Descarga de residuos sólidos compactados. Sistema mecánico. Boquilla de descarga. (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.7. Soluciones del módulo 3. Alternativa 1: Sistema neumático, boquilla de descarga Alternativa 2: Sistema hidráulico, boquilla de descarga Alternativa 3: Sistema mecánico, boquilla de descarga (Fuente: Propia, 2018). Para seleccionar el módulo más conveniente, se emplea el método ordinal de criterios ponderados. En la tabla 2.8. se detallan los criterios más determinantes para la evaluación: Tabla 2.8. Criterios de evaluación. Versatilidad. Acoplable. Peso. Peso adecuado. Dimensión. Tamaño adecuado. Precio. Costo moderado. Fabricación. Fabricación sencilla. Debe permitir un adecuado acople además de la recepción de los residuos sólidos triturados. El sistema debe tener un peso adecuado, ser liviano, de fácil montaje. Las dimensiones del sistema de la máquina deben ser proporcionales al requerimiento de área de ubicación y montaje. El precio es muy importante en máquinas de este tipo, ya que la demanda depende de ello. Los procesos de fabricación tienen gran influencia en los costos de la máquina.. (Fuente: Propia, 2018). En las tablas 2.9., 2.10., 2.11., 2.12., 2.13. y 2.14. se muestra el detalle de la evaluación de los criterios y alternativas: Tabla 2.9. Pesos específicos para los criterios del módulo 3. Criterio. Versatilidad Peso Dimensión Precio Fabricación Σ + 1 Ponderado 0. Versatilidad Peso. 1. 1. 0,5. 0. 2,5. 0,156. 1. 0,5. 0. 3,5. 0,219. 0,5. 0. 2. 0,125. 0. 3. 0,188. 5. 0,313. 16. 1,000. Dimensión. 0. 0,5. Precio. 0,5. 0,5. 1. Fabricación. 1. 1. 1. 1 Suma. Versatilidad (Fuente: Propia, 2018). < Peso > Dimensión = Precio <. 27. Fabricación.

(42) Evaluación de cada una de las soluciones respecto a los criterios: Tabla 2.10. Criterio: Versatilidad. Versatilidad Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Alternativa 1 0,5 1 Alternativa 2 0,5 1 Alternativa 3 0 0 Suma. Σ + 1 Ponderación 2,5 0,417 2,5 0,417 1 0,167 6 1,000. Alternativa 1 = Alternativa 2 > Alternativa 3 (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.11. Criterio: Peso. Peso Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Σ + 1 Ponderación Alternativa 1 0 0,5 1,5 0,273 Alternativa 2 1 0,5 2,5 0,455 Alternativa 3 0,5 0 1,5 0,273 Suma 5,5 1,000 Alternativa 2 > Alternativa 1 = Alternativa 3 (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.12. Criterio: Dimensión. Dimensión Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Σ + 1 Ponderación Alternativa 1 0 1 2 0,333 Alternativa 2 1 1 3 0,500 Alternativa 3 0 0 1 0,167 Suma 6 1,000 Alternativa 2 > Alternativa 1 > Alternativa 3 (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.13. Criterio: Precio. Precio Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Σ + 1 Ponderación Alternativa 1 0 0,5 1,5 0,250 Alternativa 2 1 0,5 2,5 0,417 Alternativa 3 0,5 0,5 2 0,333 Suma 6 1,000 Alternativa 2 > Alternativa 3 > Alternativa 1 (Fuente: Propia, 2018). Tabla 2.14. Criterio: Fabricación. Fabricación Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Σ + 1 Ponderación Alternativa 1 0 1 2 0,333 Alternativa 2 1 1 3 0,500 Alternativa 3 0 0 1 0,167 Suma 6 1,000 Alternativa 2 > Alternativa 1 > Alternativa 3 (Fuente: Propia, 2018). 28.

(43) Tabla 2.15. Conclusiones. Conclusiones Versatilidad Alternativa 1 1,042 Alternativa 2 1,042 Alternativa 3 0,417. Peso Dimensión Precio Fabricación Σ Prioridad 0,955 0,667 0,750 1,667 5,080 2 1,591 1,000 1,250 2,500 7,383 1 0,955 0,333 1,000 0,833 3,538 3. (Fuente: Propia, 2018). Según la Tabla 2.15., se tiene que la alternativa 2 es la que más se ajusta a los criterios de evaluación, sin embargo al contar con un conjunto de componentes extras del sistema hidráulico y la restricción de espacio se descartaría. Para el caso de la alternativa 1 se tiene como condicionante el alto costo de obtención de aire comprimido para su funcionamiento, además de que no cumple con las altas capacidades de compactación. Finalmente, se tiene la alternativa 3 que es la más ajustable a los requerimientos del usuario de acuerdo con la restricción de espacio y costo. SALIDA DE RESIDUOS SÓLIDOS Para cumplir con esta función se opta por adecuar a la salida del sistema compactador una boquilla de descarga cónica como se muestra en la figura 2.12. a fin de alcanzar mayor grado de compactación y debido a la facilidad de constricción misma de la boquilla.. Figura 2.12. Boquilla de descarga. (Fuente Propia). Ventajas o. Mayor grado de compactación. o. Reducción del volumen de los residuos sólidos.. o. Boquilla desmontable para mantenimiento.. o. Resistencia a agentes corrosivos.. 29.

(44) Desventajas o. Soporta altas presiones.. o. Requiere procesos de mecanizado extras.. o. Exige buenos elementos de sujeción con el cilindro.. 2.1.16.. Matriz morfológica. A partir de las soluciones parciales de cada módulo se establece la solución final, en la Tabla 2.16. se muestra la matriz morfológica correspondiente: Tabla 2.16. Solución Final. Función. Solución Bandeja de recolección 1. MÓDULO 1: Entrada y transporte de residuos sólidos. Bandeja de recolección 2. Tapa superior. Tolva de recolección MÓDULO 2: Homogenización de residuos sólidos. Garganta de alimentación y matriz de agujeros. Sistema mecánico MÓDULO 3: Compactación y salida de residuos sólidos. Boquilla de descarga. (Fuente: Propia, 2018). 30.

(45) En la figura 2.13. se muestra la solución final mediante un esquema preliminar de la máquina compactadora para residuos sólidos.. Figura 2.13. Solución Final. (Fuente: Propia, 2018). 2.2. DISEÑO MECÁNICO 2.2.1. Introducción En esta etapa se realiza un análisis de todos los elementos y componentes que construyen la máquina, de igual manera se plantea las consideraciones que asegurarán su correcto desempeño.. 2.2.2. Consideraciones para el diseño mecánico Una vez determinada la configuración de la máquina compactadora de residuos sólidos a implementar en la empresa se plantea el dimensionamiento y cálculos de los componentes principales. REQUISITOS DE DISEÑO o. La capacidad de producción debe ser de al menos 500 kg/h. 31.

(46) o. Diámetro del tornillo sin fin aproximado de 5”.. o. Relación longitud/diámetro de 10/1.. o. Paso de rosca de 2”.. o. Profundidad de canal de 0,030 m.. o. El diámetro de los bloques compactados debe ser aproximadamente 2”.. De acuerdo a la disponibilidad de espacio físico para el montaje de la máquina se considerará un conjunto montable y desmontable, además de cumplir con las características de resistencia a agentes químicos, ser un sistema seguro y de bajo costo.. 2.2.3. Dimensionamiento del mecanismo compactador de la máquina El sistema compactador de acuerdo a los resultados obtenidos de la casa de la calidad constará de un sistema mecánico empleando un tornillo sinfín para lo cual se establece el análisis del eje.. 2.2.4. Diseño del tornillo sin fin Para el dimensionamiento y estimación de la potencia necesaria de accionamiento para el tornillo sin fin. Los parámetros principales son la longitud, el diámetro, el ángulo de filete y el paso de la rosca. Los cálculos de elaboraron siguiendo el texto de (Savgorodny).. 2.2.5. Longitud La longitud del tornillo es importante en la capacidad productiva de la máquina y en el costo del mismo, dependiendo del trabajo para el cual sea destinada.. 2.2.6. Diámetro El diámetro de los tornillos más comunes oscila en el rango de 0,0195 m a 0,609 m e influye directamente en la capacidad de producción de la máquina, esto indica que al aumentar el diámetro la capacidad kg/h se incrementa. Para este diseño se tomará el diámetro D = 0,129 m y debido al material disponible en el mercado y al diámetro interno del cilindro que se indica de 129,4 mm.. 2.2.7. Relación longitud/diámetro Considerando los requerimientos de la máquina se establece una relación de 10/1, que define la relación entre el tornillo y el cilindro mediante la ecuación 1. ൌ ͳͲሺͳሻ 32.

(47) ൌ ൈ ͳͲ ൌ ͳǡʹͻ. Dónde: D = diámetro del tonilloൌͲǡͳʹͻ. L = diámetro del tornillo.. 2.2.8. Paso de la rosca El paso de la rosca es la distancia que avanza un tornillo por cada vuelta que gira, este factor influye de manera similar en la capacidad de producción de la máquina. Como parámetro establecido por el usuario se asumirá un paso de rosca dos pulgadas o t = 0,0508 m.. 2.2.9. Ángulo de filete Este ángulo influye en el transporte del material desde la alimentación de las bandejas de recolección hasta la salida. El ángulo de inclinación del filete se calcula mediante la ecuación 2: ɔ ൌ Dónde:. ሺʹሻ ሺ െ ሻ ൈ Ɏ ɔ ൌ ͻǡʹ͹ι ൎ ͳͲι. h= profundidad del canal=0,03 m. t = paso de la roscaൌͲǡͲͷͲͺ. φ = ángulo de la hélice.. 2.2.10.. Holgura. Es la distancia entre el diámetro exterior del tornillo y el diámetro interior del cilindro, esto indica el juego que tiene el husillo (tornillo). A fin de tener una eficiencia alta de la máquina esta distancia debe ser mínima, y se calcula mediante la ecuación 3. ൌ ͲǡͲͲ͵ ൈ ሺ͵ሻ. Dónde:. ൌ ͵ǡͺ͹͵ ൈ ͳͲିସ ൌ Ͳǡ͵ͺ. H=holgura.. 33.