Diseño de una máquina trituradora de grano de maíz para un molino del distrito de Pueblo Nuevo.
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO
AUTOR: Br. Chuquibala Diaz, Edy
ASESOR: Mg. Peláez Chávez, Víctor Hugo
TRUJILLO – PERÚ
2022
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ii DEDICATORIAS
A Dios por darme vida y salud para seguir adelante con mi familia y alcanzar mis metas.
A mis padres por su apoyo y ejemplo de superación, por enseñarme a no rendirme frente a las adversidades.
A mi esposa y mi querida hija por acompañarme en este viaje de la vida y por ser mi motivo e inspiración para seguir adelante.
Bachiller Chuquibala Diaz, Edy.
iii AGRADECIMIENTOS
Quiero dirigir mi agradecimiento primeramente a Dios por darme fortaleza para enfrentar la vida. A mi esposa por acompañarme en esta etapa de mi vida y por ser el soporte emocional que me ayuda en las dificultades. A mi amada hija por ser mi motivación para seguir enfrentando la vida y ser una mejor persona cada día.
A mi asesor Mg. Peláez Chávez, Víctor Hugo por compartir sus conocimientos y experiencias para a hacer posible el desarrollo de este trabajo de tesis.
A todos mis compañeros y docentes que a lo largo de mi paso por la universidad me han apoyado con consejos y experiencias.
Bachiller Chuquibala Diaz, Edy.
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iv INDICE GENERAL
DEDICATORIAS ... ii
AGRADECIMIENTOS ... iii
INDICE GENERAL ... iv
PRESENTACIÓN ... xii
RESUMEN ... xiii
ABSTRACT ...xiv
1. CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. Realidad problemática ... 1
1.2. Planteamiento del problema ... 2
1.3. Antecedentes teóricos y empíricos ... 2
1.4. Marco teórico ... 4
Alternativas de diseño de máquinas trituradoras ... 5
Análisis de mecanismos para maquinarias ...16
Cálculo de resistencia de miembros estructurales y conexiones ...19
Selección de componentes complementarios y de control de máquinas ...23
Modelado elementos de máquinas asistido por computadora ...27
1.5. Hipótesis ...27
1.6. Objetivos...28
Objetivo general ...28
Objetivo específico ...28
1.7. Justificación ...28
Justificación tecnológica ...29
Justificación ambiental ...29
Justificación social ...29
Justificación económica ...29
v
1.8. Limitaciones...29
2. CAPÍTULO II.- MATERIALES Y MÉTODOS...30
2.1. Tipo de investigación ...30
2.2. Diseño de investigación ...30
2.3. Población y muestra...32
Población ...32
Muestra ...32
Muestreo ...32
2.4. Técnica y procesamiento de datos ...32
2.5. Objeto de estudio ...32
2.6. Procedimiento de la solución al problema ...32
3. CAPÍTULO III.- RESULTADOS ...36
3.1. Evaluación de alternativas de máquina trituradora de maíz ...36
Requerimientos de la máquina trituradora ...36
Funciones de la máquina trituradora ...38
Alternativas de solución de la máquina trituradora ...39
Evaluación de soluciones ...41
3.2. Análisis dinámico de los mecanismos de la máquina trituradora ...43
Propiedades del maíz ...43
Modelado del fenómeno de trituración...44
Pre-dimensionamiento del sistema triturador de grano de maíz ...47
Cálculo de parámetros de operación ...49
Potencia de accionamiento ...51
3.3. Cálculo de resistencia de los elementos de la máquina trituradora. ...53
Análisis del martillo ...53
Análisis de eje (pasador) ...56
Análisis del disco soporte ...60
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vi
Análisis del eje de transmisión (principal)...61
3.4. Dimensionamiento y selección de elementos complementarios. ...73
Selección de rodamientos ...73
Dimensionamiento de chaveta ...74
Selección de acople mecánico ...74
Sistema eléctrico para triturador ...74
3.5. Modelo y simulación de la máquina trituradora en Inventor...78
Modelo y simulación de martillo para trituradora ...78
Modelo y simulación de eje pasador ...79
Modelo y simulación de disco soporte ...81
Modelo y simulación del eje de transmisión ...83
4. CAPÍTULO IV.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...87
5. CAPÍTULO V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ...91
5.1. Conclusiones ...91
5.2. Recomendaciones ...94
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...95
ANEXOS ...98
vii ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Función principal de una máquina trituradora. ...6
Figura 1.2. Trituradora de discos. (CRIBA.EDU, 2022) ...7
Figura 1.3. Trituradora de mandíbula Blake. ...8
Figura 1.4. Trituradora de mandíbula Lion. ...8
Figura 1.5. Trituradora de mandíbula Dodge. ...9
Figura 1.6. Trituradora de rodillos fijos. ... 10
Figura 1.7. Trituradora de rodillo auto-regulable. ... 10
Figura 1.8. Trituradora de rodillo con cojinete móvil. (Waganoff, 1956)... 11
Figura 1.9. Trituradora de rodillo con cojinete sobre placa de desplazamiento. ... 11
Figura 1.10. Trituradora de rodillos regulables. (Waganoff, 1956) ... 11
Figura 1.11. Esquema simple de molino de bolas. ... 12
Figura 1.12. Esquema simple de molino de bolas. ... 13
Figura 1.13. Trituradora de impacto de eje vertical. ... 14
Figura 1.14. Trituradora de impacto de eje horizontal. ... 14
Figura 1.15. Partes de trituradora de eje horizontal... 15
Figura 1.16. Tipos de martillos de trituración... 16
Figura 1.17. Tipos de revestimiento para martillos. ... 16
Figura 1.18. Mecanismo biela cigüeñal de un motor de combustión... 17
Figura 1.19. Máquina, motor de combustión. (Moran & Shapiro, 2018) ... 17
Figura 1.20. Par cinemático tipo I. ... 18
Figura 1.21. Par cinemático tipo II. ... 18
Figura 1.22. Par cinemático tipo III. ... 19
Figura 1.23. Esquema de junta a tope de soldadura sometida a tensión. ... 22
Figura 1.24. Esquema de junta a tope de soldadura sometida a cortante. ... 23
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viii
Figura 1.25. Dimensiones de sección de banda tipo V. ... 23
Figura 1.26. Esquema de control de arranque directo. (Roldán Viloria, 2008) ... 26
Figura 1.27. Esquema de potencia de arranque directo. (Roldán Viloria, 2008) ... 26
Figura 2.1. Diseño de investigación para máquina trituradora. Fuente propia. ... 31
Figura 2.2. Procedimiento para la evaluación de alternativas. Fuente: adaptado de las metodologías de diseño... 33
Figura 2.3. Procedimiento para el análisis dinámico del mecanismo. Fuente propia. ... 33
Figura 2.4. Procedimiento para el cálculo estructural. Fuente propia. ... 34
Figura 2.5. Procedimiento para la selección de elementos complementarios. Fuente propia. ... 35
Figura 4.1. El sistema como una caja negra para identificar entradas y salidas. Fuente propia. ... 38
Figura 4.2. Estructura de funciones para una máquina trituradora de maíz. Fuente propia. 38 Figura 4.3. Matriz morfológica para máquina de triturado de maíz. Fuente propia. ... 40
Figura 4.4. Dimensiones del grano de maíz. Fuente propia. ... 43
Figura 4.5. Modelo del fenómeno de la trituración. ... 44
Figura 4.6. Pre-dimensionamiento del sistema triturador. ... 48
Figura 4.7. Potencia por longitud de grano vs capacidad para diferentes tamaños de martillo. ... 53
Figura 4.7. Dimensiones del sistema triturador. ... 53
Figura 4.8. Desgaste proyectado y medida preventiva para evitar el daño prematuro. ... 56
Figura 4.9. Eje pasador, separadores y martillos. ... 57
Figura 4.10. Diagrama de cuerpo libre eje pasador. ... 57
Figura 4.11. Diagrama de momento flector. ... 58
Figura 4.12. Diagrama de fuerza cortante. ... 58
ix
Figura 4.14. Esquema de disco soporte de martillos. ... 60
Figura 4.15. Esquema de cámara de trituración. ... 61
Figura 4.16. Diagrama de cuerpo libre... 62
Figura 4.17. Diagrama de cortante en eje. ... 63
Figura 4.18. Diagrama de momento flector en eje. ... 63
Figura 4.19. Diagrama de momento torsor en eje. ... 64
Figura 4.20. Diagrama de cuerpo libre... 68
Figura 4.21. Diagrama de cortante en eje. ... 69
Figura 4.22. Diagrama de momento flector en eje. ... 69
Figura 4.23. Diagrama de momento torsor en eje. ... 69
Figura 4.24. Diagrama unifilar arranque directo triturador... 75
Figura 4.25. Dimensiones del martillo en inventor. ... 78
Figura 4.26. Resultados simulación del martillo en inventor. ... 79
Figura 4.27. Diagrama de fuerzas cortantes en el eje en inventor. ... 79
Figura 4.28. Diagrama de momento flector en el eje en inventor. ... 80
Figura 4.29. Diagrama de esfuerzo normal por momento flector en el eje en inventor. ... 80
Figura 4.30. Diagrama de esfuerzo cortante por cortante en flexión en el eje en inventor.. 81
Figura 4.31. Geometría del disco soporte. ... 82
Figura 4.32. Esfuerzo de Von Mises en disco soporte. ... 82
Figura 4.33. Diagrama de fuerza cortante caso 1 – inventor... 83
Figura 4.34. Diagrama de momento flector caso 1 – inventor. ... 83
Figura 4.35. Diagrama de esfuerzo cortante caso 1 – inventor. ... 84
Figura 4.36. Diagrama de esfuerzo normal caso 1 – inventor. ... 84
Figura 4.37. Diagrama de fuerza cortante caso 2 – inventor... 85
Figura 4.38. Diagrama de momento flector caso 2 – inventor. ... 85
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x Figura 4.39. Diagrama de esfuerzo cortante caso 2 – inventor. ... 85 Figura 4.40. Diagrama de esfuerzo normal caso 2 – inventor. ... 86
xi ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Secciones estandarizadas de bandas en V. Fuente: (Shigley, 2008). ... 24
Tabla 2.1. Técnica, instrumento y materiales. ... 32
Tabla 4.1. Exigencias para el diseño de un equipo de trituración Fuente: Propia ... 36
Tabla 4.2. Métricas y cantidades requeridas en la máquina trituradora. Fuente: Propia. 37 Tabla 4.3. Evaluación de alternativas de solución para el triturador de grano de maíz. Fuente: Propia. ... 42
Tabla 4.4. Pre-dimensionamiento del sistema triturador Fuente: Propia. ... 48
Tabla 4.5. Fuerzas internas. Fuente: Propia. ... 58
Tabla 4.6. Cálculo de esfuerzos en las secciones críticas del eje por carga estática. ... 66
Tabla 4.7. Cálculo de esfuerzos en las secciones críticas del eje por fatiga. ... 67
Tabla 4.8. Cálculo de esfuerzos en las secciones críticas del eje por carga estática. ... 71
Tabla 4.9. Cálculo de esfuerzos en las secciones críticas del eje por fatiga. ... 73
Tabla 4.10. Elementos del sistema eléctrico. ... 75
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xii PRESENTACIÓN
Señores miembros del jurado:
En cumplimiento con el reglamento de grados y títulos de la Universidad Nacional de Trujillo expongo ante ustedes mi tesis titulada “Diseño de una máquina trituradora de grano de maíz para un molino del distrito de Pueblo Nuevo”, la misma que someto a vuestra consideración y espero que cumpla con los requisitos de aprobación para obtener el Título profesional de Ingeniero Mecánico.
Bachiller Chuquibala Diaz, Edy.
xiii RESUMEN
En el presente trabajo, se ha diseñado una máquina trituradora de grano de maíz para un molino del distrito de Pueblo Nuevo utilizando la norma VDI 2221 complementada de la metodología de Ulrich y Eppinger. Se buscó aportar valor con el diseño del equipo y con la forma en cómo se abordó la solución, con la formulación de ecuaciones compactas y con la presentación de un gráfico que relaciona los parámetros de diseño de una máquina trituradora de grano de maíz.
En el capítulo uno, se explica la razón e importancia de diseñar una máquina para triturar grano de maíz en Pueblo Nuevo, se describen resultados obtenidos en otras investigaciones y el fundamento teórico para el cálculo respectivo a cada objetivo planteado para diseñar el equipo. El segundo capítulo abarca la metodología de investigación que se utilizó en esta tesis, parte fundamental fue la delimitación del objeto de estudio y el procedimiento de solución del problema, que es donde se describió la resolución del trabajo en general. En el capítulo tres, se reúne la información de los resultados de manera ordenada, se evaluaron alternativas de solución considerando los valores objetivo para cada métrica identificada para la estructura de funciones del equipo en cuestión. Mediante el análisis dinámico se obtuvo el número de martillos necesario y la potencia de accionamiento. También se calculó la resistencia de los elementos principales de la máquina trituradora mediante análisis estático, esfuerzos normal y cortante, esfuerzos principales y fatiga. Se dimensionó por separado las partes complementarias como las chumaceras, chaveta, acople mecánico y el sistema eléctrico. Para cerrar el capítulo de resultados, se modelaron las partes principales del molino de martillos en Inventor Autodesk y se simuló bajo las condiciones de carga requeridas para la trituración de 200 Kg/h de grano de maíz. En el cuarto capítulo se evalúa la metodología en base a los resultados y se comparan los resultados con los autores citados como trabajos previos.
Finalmente, se concluyó que es posible el diseño de una máquina de trituración de grano de maíz con capacidad de 200 Kg/h con un rendimiento determinado en base a los cálculos realizados.
Palabras claves: Triturar, maíz, martillos, potencia.
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xiv ABSTRACT
In the present work, a corn grain crushing machine has been designed for a mill in the Pueblo Nuevo district using the VDI 2221 standard complemented by the Ulrich and Eppinger methodology. It was sought to add value with the design of the equipment and with the way in which the solution was approached, with the formulation of compact equations and with the presentation of a graph that relates the design parameters of a maize grain crushing machine.
In chapter one, the reason and importance of designing a machine to crush corn grain in Pueblo Nuevo is explained, results obtained in other investigations and the theoretical basis for the respective calculation of each objective set to design the equipment are described.
The second chapter covers the research methodology that was used in this thesis, a fundamental part was the delimitation of the object of study and the procedure for solving the problem, which is where the resolution of the work in general was described. In chapter three, the information of the results is gathered in an orderly manner, solution alternatives were evaluated considering the target values for each metric identified for the function structure of the team in question. Through dynamic analysis, the necessary number of hammers and the driving power were obtained. The resistance of the main elements of the crushing machine was also calculated by means of static analysis, normal and shear forces, main forces and fatigue. The complementary parts such as bearings, key, mechanical coupling and the electrical system were dimensioned separately. To close the results chapter, the main parts of the hammer mill were modeled in Autodesk Inventor and simulated under the load conditions required for the grinding of 200 Kg/h of corn grain. In the fourth chapter, the methodology is evaluated based on the results and the results are compared with the authors cited as previous works.
Finally, it was concluded that it is possible to design a maize grain crushing machine with a capacity of 200 Kg/h with a performance determined based on the calculations made.
Keywords: Shred, corn, hammers, power.
1 1. CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN
1.1. Realidad problemática
En el 2021, se estimó que a nivel mundial habría un aumento del 7% en la producción de maíz, sobre todo en los principales productores como USA, Ucrania, Brasil y China (BORUNDA, 2022); sin embargo, actualmente el conflicto armado de Ucrania y Rusia ha impactado fuertemente la oferta de este cereal, sigue siendo muy demandado y utilizado como principal alimento a nivel mundial.
En Latinoamérica, los países que tienen más del 70% de producción de alimentos balanceados de la región son: Brasil, México y argentina, de los cuales Brasil es el cuarto productor mundial (Industria Avícola-digital, 2022). El volumen de producción se ha podido alcanzar por que la tecnología juega un papel importante. China cuenta con máquinas casi para todo tipo de necesidades y cuenta con un amplio territorio al igual que Brasil, que ha venido desarrollando tecnología. Una de las columnas principales de la economía de Brasil es el agro-negocio, donde 4,4 millones de explotaciones similares en agricultura, generan el 85% de su actividad, acompañado de desarrollo tecnológico interno y por empresas extranjeras (Biz Latin Hub, 2020)
El cultivo de maíz es uno de los cultivos más importantes en la agricultura peruana, sin embargo, no alcanza para cubrir la demanda de maíz en el país. El 60% de la demanda de maíz en el Perú, es importación en gran parte de estados unidos y Argentina (FAO, 2012).
El comportamiento mensual de las importaciones de maíz amarillo, viene aumentando según el último reporte realizado por el ministerio de desarrollo agrario y riego; al mismo tiempo, los precios también han tenido una variación en el mes de abril del 33.3% (Ministerio de desarrollo agrario y riego, 2022). Al margen de las políticas de gobierno a nivel de promoción del cultivo de este alimento, el alza de precios del maíz por los rezagos de la
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2 pandemia y las consecuencias indirectas de la guerra está presionando a las empresas a buscar alternativas más eficientes y económicas para el procesamiento del grano, de modo que se pueda compensar el alza de precios. El maíz es un alimento que sirve de insumo para muchos otros productos de consumo humano y para alimento avícola.
En el distrito de Pueblo Nuevo en la provincia de Chepén, ha venido aumentando la demanda de alimentos balanceados para uso avícola, el principal producto solicitado es el maíz molido. En esta localidad existen 15 establecimientos de alimentos balaceados en donde se distribuye maíz en grano entero o chancado; esto es utilizado para la alimentación de pequeñas granjas de patos, gallinas, cerdos y pavos, que con el aumento de la población aumentado su demanda. Se observado que se debe contar con 33600 kilos semanales aproximadamente para cubrir la alimentación de los animales de corral, sin embargo, solicitar estos productos de grano a las plantas de procesamiento, resulta muchas veces tediosa y con la problemática actual, más costosa. Dichos establecimientos requieren adquirir el producto durante el menor tiempo posible contando siempre la cantidad semanal que demanda. Ante ello se ve la necesidad de diseñar una maquina moledora o trituradora de grano de maíz para un molino, con la finalidad de mejorar el abasto en los establecimientos de alimentos balanceados y así cubrir la demanda de consumo en el Distrito de Pueblo Nuevo.
1.2. Planteamiento del problema
¿Cuáles son las características técnicas de una máquina trituradora de grano de maíz para un molino del distrito de Pueblo Nuevo?
1.3. Antecedentes teóricos y empíricos
Carrera, D. & Vargas, C. (2016). Diseño y construcción de una trituradora de morochillo entero para producción de balanceados. Universidad Politécnica Salesiana Sede Quito. En
3 su tesis lograron diseñar una trituradora de 25 Kg/h, considerando como datos principales, la fuerza necesaria para romper un grano de maíz y la capacidad de producción del equipo.
Asimismo, determinaron que el espacio entre los martillos y la criba debería ser inferior a 8 mm, esto por las dimensionas tomadas del maíz. La potencia en el motor eléctrico, calculada para triturar el maíz, fue de 3 Hp con 2500 rpm. Se optó por el acero inoxidable AISI 304 para los elementos de la trituradora. El costo total de la máquina fue de $ 1984.30 dólares americanos. Finalmente, se fabricó la trituradora y se puso en marcha, reduciendo así sus precios de venta y volviendo más competitivo su negocio.
Guizado J. (2018). Diseño y construcción de un prototipo de máquina moledora de choclo con capacidad de 25 kg/h. Universidad de Ingeniería y Tecnología UTEC – Ingeniería mecánica – Lima. En su trabajo de investigación se logró diseñar un prototipo de máquina para moler choclo con el accionamiento de un moto-reductor eléctrico de 0.5 hp. Guizado utilizó dos mecanismos, un tornillo para la alimentación (extrusor) y un disco radial como cámara de molienda de 165 mm de diámetro. También, seleccionó los componentes de la transmisión y de sujeción; seleccionó una correa V A13 y unos rodamientos de bolas N-6202 SKF. En la parte estructural, hizo uso de perfiles de sección angular 35x35x5 fabricado en acero ASTM A36. Los elementos en contacto con el producto los fabricó en acero inoxidable AISI 304 L. Realizó pruebas que ayudaron a realizar modificaciones en la geometría del extrusor. Finalmente, concluyo que con el prototipo se alcanza una masa de choclo molido de 50 µm más fina que la molienda tradicional de corona.
Verdesoto, M. (2015). Diseño de un molino artesanal para maíz con una capacidad de 250 kg/h para granjas avícolas. Universidad Técnica Estatal de Quevedo - Ingeniería mecánica.
Al culminar el desarrollo de su tesis, pudo identificar las ventajas y desventajas del molino de martillo para triturar maíz, este estudio lo realizó comparando componentes, funcionamiento y capacidad. Producto del análisis mecánico se obtuvo que, para cubrir la
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4 demanda de 250 Kg de maíz por hora, es necesario un motor de 3 hp. Fabricó el equipo en su mayoría en acero estructural A37 con Sy de 235 MPa. Finalmente, el costo para llevar a cabo la fabricación de la máquina fue de $ 573.96 dólares y la relación beneficio-costo le resultó $3.34.
Abanto, J. (2020). Diseño de una máquina trituradora de eje horizontal de 15 tn/día para aumentar la producción de alimentos en la industria ganadera en la zona rural de Cayaltí.
Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo – Ingeniería mecánica eléctrica. En su tesis, identificó los parámetros necesarios para realizar el diseño de la trituradora y molienda.
Aplicó una matriz de decisiones para determinar las características y dimensiones de cada elemento que compone la trituradora, el eje principal, martillos, discos, armazón. Realizó una corrección de la admisión de grano, ya que al ponerlo en marcha no abastecía correctamente. Como elemento de arranque del sistema, utilizó un arrancador de estado sólido de la marca Schneider, seleccionando el cableado con el Código Nacional de electricidad y catálogo INDECO, utilizó cable THW con sección 10 mm^2. La potencia del motor seleccionado, fue de 30 HP 2P a 3250 rpm – 60 Hz, 380 V. La fuerza de corte calculada para triturar es de 12.6 Kgf. La capacidad de producción calculada para esta máquina fue de 562,5 𝑘𝑔/ℎ. Finalmente, concluyó que el proyecto es viable con los resultados de VAN de 7,749.16 y TIR de 22%.
1.4.Marco teórico
El diseño de la máquina trituradora exige el conocimiento del material a procesar, conocer alternativas tecnológicas y las teorías de resistencia de materiales y diseño de máquinas para desarrollar de manera ordenada cada objetivo planteado.
5 Alternativas de diseño de máquinas trituradoras
1.4.1.1.El maíz y sus propiedades
El Perú es el país con más variedades silvestres de maíz según una investigación efectuada por científicos de Perú y extranjeros (Municipalidad de Cusco, 2022). La propiedad de mayor interés en este trabajo es la dureza del grano. Este parámetro aumenta con la madurez del grano según el tiempo de cosecha. El maíz se cosecha entre 100 a 120 día. La dureza expresada en Kg depende también de la especie, pero se tiene en un rango de 1 Kg a 5.2 Kg.
(Cartaya, Ortiz, & Bejarano, 1991) 1.4.1.2.Usos del maíz
El maíz, según la FAO, se usa como alimento humano y animal; de manera complementaria se considera como uso de semilla y para la industria. En américa del sur el uso animal representa un 76% y el consumo humano representa un 13%; el 11% es utilizado en categoría otros (FAO, 2022).
1.4.1.3.Procesamiento de maíz
Después de la cosecha, los dos primeros pasos en el procesamiento del maíz, es el desgranado del maíz y luego la molienda. En base a ello, es que se direcciona al producto que se busca obtener ya sea para uso humano o animal.
El desgranado de maíz es el desprendimiento del grano de maíz de la mazorca por medios manuales o mecánicos. El proceso tiene dos subproductos, la mazorca y el polvo, los cuales deben ser adecuadamente gestionados (RAYKER, 2021).
La molienda, es el proceso de disminuir el tamaño del grano de maíz según se requiera y al igual que el desgranado puede ser manual o mecánico. La molienda se clasifica en proceso seco y húmedo.
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6 La molienda en seco es el proceso de trituración del grano de maíz con un conjunto de martillos para transformarla en maíz molido. El maíz se combina con agua y se debe controlar el PH y la temperatura. Posteriormente se realiza licuefacción y se eleva la temperatura para eliminar bacterias. Finalmente, se fermenta y se seca y se la da una molienda final (HOSOKAWA MIKRON, 2022).
La molienda en húmedo de maíz, se inicia con la limpieza y se remoja en un tanque a temperatura controlada, durante un tiempo aproximado de 2 días. Con esto, el grano de maíz se ablanda, luego se elimina el germen y el líquido se muele en húmedo. Finalmente, se realiza el secado y se le da una molienda final (HOSOKAWA MIKRON, 2022).
1.4.1.4.Máquinas trituradoras
Una trituradora o chancadora es una máquina que permite realizar el proceso dividir piezas grandes mediante elementos móviles, los cuales aplican fuerzas a través para poder romper y disminuir el tamaño (Yuen, 2019). Los tipos de trituradoras, son: de frotación (de discos), de martillo, de mandíbula y de bolas. El grado de desintegración:
𝜀 =𝐷 𝑑
Figura 1.1. Función principal de una máquina trituradora.
1.4.1.5.Molino de discos
Es un molino constituido básicamente por uno o más discos con hendiduras y su funcionamiento se basa en la frotación del material contra otra superficie rugosa. El grano
7 ingresa por la parte central mediante un eje hueco y es triturado mientras va saliendo a la periferia por efecto de la rotación y la forma de los discos. Debido a su alta exposición al desgaste, los discos son fabricados en acero fundido endurecido, acero al manganeso, metal duro de carburo de tungsteno y óxido de circonio (FRITSCH, 2022).
Figura 1.2. Trituradora de discos. (CRIBA.EDU, 2022)
1.4.1.6.Molino de mandíbula
Es un molino de trituración oscilante por etapas continuas. Este tipo de trituradora utiliza la fuerza generada por una placa articulada en uno de sus extremos. La fuerza es trasmitida desde un motor hacia un eje excéntrico que convierte el movimiento continuo circular en movimiento reciprocante. (CROMTEK, 2022)
Este tipo de trituradora se usa en aplicaciones de minería, agregados, metalurgia, etc. Se usa principalmente como trituración primaria para materiales con resistencias menores a 320 MPa (Greatwall Company, 2022).
Las trituradoras de mandíbula se clasifican por la posición del eje sobre el que oscila la placa de trituración, son 3 tipos: blake, Lion y dodge. A continuación, se describen estos tipos de trituradoras (Waganoff, 1956).
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8 - Trituradora de mandíbula tipo Blake
El eje de oscilación se encuentra en la parte superior de la placa de trituración, como se muestra en la figura 1.3 (Waganoff, 1956).
Figura 1.3. Trituradora de mandíbula Blake.
- Trituradora de mandíbula tipo Lion
El eje de oscilación se encuentra en la parte superior de la placa, pero el accionamiento es directo como se muestra en la figura 1.4 (Waganoff, 1956).
Figura 1.4. Trituradora de mandíbula Lion.
9 - Trituradora de mandíbula tipo Dodge
El eje de oscilación se encuentra en la parte inferior de la placa de trituración, como se muestra en la figura 1.5 (Waganoff, 1956).
Figura 1.5. Trituradora de mandíbula Dodge.
1.4.1.7.Molino de rodillos
Es recomendado para elementos de dureza media. La salida de este triturador es un tamaño de trituración entre medio y fino. El principio de funcionamiento consta de dos rodillos o cilindros reforzados horizontales con ejes paralelos que giran en sentidos opuestos (Ramos Peña, 2015). Se clasifican por el tipo de mecanismo que usa: de rodillos fijos, de rodillo auto-regulable, de rodillo con cojinete móvil montado sobre el marco general, de rodillo montado sobre placa de desplazamiento, de rodillos regulables (Waganoff, 1956).
- Trituradora de rodillos fijos
Este tipo de triturador consta de dos rodillos fijos, es decir que en funcionamiento no puede regularse.
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10 Figura 1.6. Trituradora de rodillos fijos.
- Trituradora de rodillos fijos
Este tipo de triturador posee de un mecanismo auto-regulable en funcionamiento. El cojinete montado sobre el marco general permite que el rodillo secundario oscile sobre ese eje (Waganoff, 1956).
Figura 1.7. Trituradora de rodillo auto-regulable.
- Trituradora de rodillo con cojinete móvil
El rodillo de cojinete móvil está montado sobre el marco general, el cojinete puede cambiar de posición en funcionamiento de manera remota. El movimiento del cojinete secundario puede ser en diferentes direcciones.
11 Figura 1.8. Trituradora de rodillo con cojinete móvil. (Waganoff, 1956)
- Trituradora de rodillo con cojinete sobre placa
En este triturador cuenta con un rodillo montado sobre una placa de desplazamiento que permite un control horizontal para reducir el espacio entre los rodillos. En la figura 1.9 se muestra un esquema simplificado del sistema.
Figura 1.9. Trituradora de rodillo con cojinete sobre placa de desplazamiento.
- Trituradora de rodillos regulables
Es un sistema bastante flexible pero complejo que permite la regulación de ambos rodillos según la necesidad de trituración.
Figura 1.10. Trituradora de rodillos regulables. (Waganoff, 1956)
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12 1.4.1.8.Molino de bolas
Es un triturador formado por un cilindro con su interior revestido para soportar impacto y el rozamiento del material a moler; además contiene bolas que giran y caen por su peso en media trayectoria haciendo que impacten contra el fondo y trituren el material (efecto cascada).
El cilindro está acoplado a una corona accionada por un piñón que proviene del sistema de transmisión o directamente del motor. El material ingresa por un eje hueco y sale también por el otro extremo por un eje hueco. El funcionamiento es similar para los molinos de barras.
En la figura 1.11, se muestra el esquema simplificado de un triturador de bolas (Lizama Fernández, 2016)
Figura 1.11. Esquema simple de molino de bolas.
Las partes identificadas en la figura 1.11, son: (1) soporte, (2) tapa de carcasa, (3) corona de transmisión, (4) visor y (5) carcaza. En el interior se observa el material y las bolas.
En la figura 1.12, se identifican zonas según su papel en el triturado del material. Zona muerta, es donde las bolas no golpean. Zona de impacto, es donde las bolas impactan por el efecto cascada. Zona de abrasión, es el lugar donde se arrastra el material con las bolas por el efecto centrífugo y la zona vacía es el espacio de bajo de la cascada de bolas.
13 Figura 1.12. Esquema simple de molino de bolas.
En este tipo de molino, se debe considerar parámetros de control estrictamente calculados y medidos. Por ejemplo, el nivel de llenado y la velocidad crítica. Sí esto no se cumple, no se producirá el efecto cascada que es el movimiento principal en el interior del molino de bolas.
1.4.1.9.Molino de impacto
Es un tipo de triturador que funciona con un sistema que hace impactar continuamente el material sobre una superficie. Existe una clasificación por la posición de su eje de transmisión, están los trituradores de: eje horizontal y eje vertical.
Su ventaja principal de este tipo de triturador, es que puede triturar diferentes tamaño y tipos de material. Sin embargo, una de sus desventajas es el calor y excesivo ruido que producen en operación (Ramos Peña, 2015).
- Trituradora de eje vertical
Esta trituradora, es accionada por un motor y transmite la potencia a través de un eje vertical. El ingreso de material es por el centro del equipo y por el efecto centrífugo, el material sale radialmente hacia la periferia golpeando
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14 contra una superficie de alta resistencia al impacto y de alta dureza. Esta
superficie se la conoce como placa de desgaste (Ramos Peña, 2015).
Figura 1.13. Trituradora de impacto de eje vertical.
- Trituradora de eje horizontal
El eje de transmisión se encuentra horizontal, funciona de manera similar a la trituradora de eje vertical. Las placas son regulables y son fabricadas en material con una dureza y resistencia al impacto alta.
Figura 1.14. Trituradora de impacto de eje horizontal.
15 1.4.1.10. Funcionamiento de los trituradores de impacto
Los molinos de martillos o de impacto, tienen las siguientes partes: Tolva de entrada del material, cámara de trituración, tolva de descarga, eje, martillos, motor y transmisión. En la figura 1.15, se muestra las partes de un triturador de eje horizontal.
Figura 1.15. Partes de trituradora de eje horizontal.
- La cámara de trituración
Se forma por la coraza o carcaza, con discos que sostienen los martillos y se mueven por un eje principal.
- Eje principal
Es el eje que sostiene los discos porta martillos y transmite la potencia del motor. El eje va soportado en 2 cojinetes.
- Eje secundario
El eje secundario es el eje de la transmisión que sostiene alguna polea o engranaje.
- Discos porta martillos
Los discos sostienen los martillos de trituración.
- Martillos de trituración
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16 Son elementos resistentes al impacto revestidos con material duro para resistir
abrasión.
Los martillos pueden tener las formas que se muestran en la figura 1.16.
Figura 1.16. Tipos de martillos de trituración.
Los revestimientos para martillos se muestran en la figura 17. (Ramos Peña, 2015)
Figura 1.17. Tipos de revestimiento para martillos.
Análisis de mecanismos para maquinarias
Los mecanismos son importantes porque permiten convertir movimientos, cambiar de velocidad y transmitir movimiento. A continuación, definiremos ambos términos.
1.4.2.1. Mecanismo
Un mecanismo es un conjunto de cuerpos rígido-acomodados y conectados de tal forma que se mueven con movimiento relativo definido (Mabie & Reinholtz, 2011). Un ejemplo de mecanismos es el sistema biela manivela usada en los motores.
17 Figura 1.18. Mecanismo biela cigüeñal de un motor de combustión.
(Rovira de Antonio & Muñoz Domínguez, 2015)
1.4.2.2. Máquina
Una máquina es un mecanismo o grupo de mecanismos que transmiten fuerza desde el punto de energía hasta la carga, un ejemplo es el motor de combustión interna (Mabie & Reinholtz, 2011)
Figura 1.19. Máquina, motor de combustión. (Moran & Shapiro, 2018)
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18 1.4.2.3. Elementos de mecanismos
Un elemento se denomina manivela si gira completamente respecto a un eje, balancín si oscila respecto de un eje fijo y biela si tiene un movimiento general. En función de los grados de libertad que permita el movimiento relativo entre dos elementos. Hay pares de grado I, grado II, III, etc. (Avello, 2014)
- Par cinemático de grado I
Son dos elementos conectados con un solo grado de libertad como se muestra en la figura 1.20.
Figura 1.20. Par cinemático tipo I.
- Par cinemático de grado II
Son dos elementos conectados con dos grados de libertad como se muestra en la figura 1.21.
Figura 1.21. Par cinemático tipo II.
- -
19 - Par cinemático de grado III
Son dos elementos conectados con tres grados de libertad como se muestra en la figura 1.22.
Figura 1.22. Par cinemático tipo III.
Cálculo de resistencia de miembros estructurales y conexiones 1.4.3.1. El diseño mecánico
El diseño de un elemento estructural no solo depende directamente de la carga a la que estará sometido, sino también a las condiciones a las que estará operando, esto es la temperatura, abrasión, corrosión, etc.
El diseño abarca 3 partes muy importantes, estas son: la función, los parámetros de diseño y los criterios de evaluación (Mott, 2006).
El diseño de estructuras para sistemas que involucran cambios de temperatura, se debe abordar considerando los cambios de las propiedades mecánicas de los materiales.
El diseño es un proceso de iteraciones enfocado al estudio de esfuerzo-resistencia en un punto crítico (controlado), se debe buscar resistencia en la geometría y condición de uso.
(Shigley, 2008)
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20 1.4.3.2. Normas y códigos de cálculo estructural
El diseño se debe abordar considerando criterios y estándares internacionales para evitar redundar o exagerar en los resultados. Actualmente, se cuenta con una variedad de estándares para la determinación de cargas, para los criterios de aceptación y para la soldadura.
- AISC 316 – 16
Describe los criterios de aceptación LRFD o el ASD, según las condiciones de carga a la que está sometido un elemento, ya sea compresión, flexión, tensión etc (McCormac & Csernak, 2019). La norma peruana equivalente, es la E.090.
- ASCE 7
Describe el estudio de las cargas y sus combinaciones, para el estudio de estructuras de acero (McCormac & Csernak, 2019). Su equivalente en Perú es la norma E.020.
- AWS D1.1
En este estándar se describe los procesos de soldadura, los materiales de aporte, la guía para la calificación de procedimientos y soldadores.
- AWS 3.1
En esta se describen los términos y definiciones para soldadura de aceros.
1.4.3.3. Cálculo estructural
El cálculo estructural inicia con el aislamiento del elemento o parte de máquina a estudiar mediante un diagrama de sólido libre. Se deben determinar las reacciones mediante sumatoria de esfuerzos en cada eje.
∑ 𝐹𝑥 = 0; ∑ 𝐹𝑦 = 0
21 Una vez se determinan las fuerzas involucradas en un sistema mecánico, se procede a pre- seleccionar una sección para determinar si es resistente y con qué factor de seguridad.
1.4.3.4. Esfuerzo normal
El esfuerzo normal, se define como la respuesta de una determinada área a una carga aplicada; se le conoce como la fuerza distribuida en un área. Tiene las unidades de presión, Pascales.
- Esfuerzo normal por carga axial
𝜎𝑁= 𝐹 𝐴 - Esfuerzo normal por momento flector
𝜎𝑀 =𝑀 ∗ 𝑐 𝐼 1.4.3.5.Esfuerzo cortante
El esfuerzo cortante, es la respuesta de un material a las cargas de cizallamiento en un área determinada.
- Esfuerzo cortante por carga cortante
𝜏𝑉 = 𝑉 𝐴 - Esfuerzo cortante por momento torsor
𝜏𝑇= 𝑇 ∗ 𝑐 𝐽
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22 1.4.3.6. Diseño de soldadura
La soldadura depende del material de aporte y del material base. Es importante conocer su composición y resistencia para determinar las dimensiones de la soldadura. En todo momento, se debe evitar sobre exponer el material base a un exceso de calor para evitar deformación y un endurecimiento exagerado de la zona de ataque de calor, lo cual fragiliza el material base.
Para una correcta soldadura, se puede citar normas de la American Welding Society (AWS), ya que en función del material base y el aporte, entrega una serie de lineamientos para una soldadura de buena calidad. Las normas describen una guía para desarrollar la especificación del procedimiento de soldadura, el registro de calificación del procedimiento de soldadura y el registro de calificación del rendimiento del soldador.
Para el calcular una soldadura a tope en V que se encontrará sometida a una tensión F, el esfuerzo normal se expresa con la siguiente ecuación (Shigley, 2008).
𝜎 = 𝐹
ℎ ∗ 𝑙
Donde ℎ es la garganta de la soldadura y 𝑙 es la longitud. En la figura 1.23, se muestra una unión a tope típica para una soldadura en V con penetración completa, sometida a tensión (Shigley, 2008).
Figura 1.23. Esquema de junta a tope de soldadura sometida a tensión.
23 El cálculo del esfuerzo cortante se realiza mediante la siguiente relación, muy similar a la de esfuerzo normal por tensión. Ver la figura 1.24 como referencia para el cálculo del esfuerzo cortante en cordón de soldadura en unión a tope típica.
Figura 1.24. Esquema de junta a tope de soldadura sometida a cortante.
𝜏 = 𝐹 ℎ ∗ 𝑙
Selección de componentes complementarios y de control de máquinas
En toda máquina hay componentes complementarios, como: fajas, rodamientos, sistema eléctrico de control, circuito de potencia, etc.
1.4.4.1. Bandas de transmisión en V.
Son elementos flexibles de transmisión de potencia para distancias relativamente largas.
Existen diferentes tipos de sección de banda: plana, redonda, tipo V y de sincronización;
estas dos últimas tienen una distancia entre centros limitada (Shigley, 2008).
Las bandas de transmisión en V se designan según la relación de sus dimensiones. En la figura 1.25, se muestran las dimensiones de la banda tipo V.
Figura 1.25. Dimensiones de sección de banda tipo V.
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24 En la tabla 1.1 se muestra las secciones estandarizadas A, B, C, D, y E.
Tabla 1.1.
Secciones estandarizadas de bandas en V.
Fuente: (Shigley, 2008).
Sección de banda
Ancho, pulg
Espesor, pulg
Diámetro mínimo de polea, pulg
Intervalos de potencias (hp), una o más bandas.
A 1/2 11/32 3.0 ¼-10
B 21/32 7/16 5.4 1-25
C 7/8 17/32 9.0 15-100
D 1-1/4 3/4 13.0 50-250
E 1-1/2 1 21.6 100 y mayores
La longitud de paso se calcula mediante la ecuación.
𝐿𝑝 = 2𝐶 +𝜋(𝐷 + 𝑑)
2 +(𝐷 − 𝑑)2 4𝐶 La distancia entre centros se determina mediante la ecuación.
𝑐 = 0.25 {[𝐿𝑝−𝜋
2(𝐷 + 𝑑)] + √[𝐿𝑝−𝜋
2(𝐷 + 𝑑)]2− 2(𝐷 − 𝑑)2}
Donde D es el diámetro de paso de la polea mayor y d es el diámetro de paso de la polea menor.
- La potencia permitida
La potencia permitida depende de K1, factor de corrección del ángulo de cobertura y de K2, el factor de corrección de longitud de banda.
𝐻𝑎 = 𝐾1𝐾2𝐻𝑡𝑎𝑏
25 - La potencia de diseño
La potencia de diseño depende de Hd, potencia nominal; Ks, el factor de servicio y el factor de diseño (Shigley, 2008).
𝐻𝑑 = 𝐻𝑛𝑜𝑚𝐾𝑠𝑛𝑑 1.4.4.2. Rodamientos
La selección de rodamientos se realiza usando los datos nominales de los proveedores, con lo que se calcula el tiempo de vida. Los datos se calculan diferente según si se trata de rodamiento de bolas o de rodillos. A continuación, se muestra para rodamiento de bolas para carga radial.
- Duración nominal en millones de revoluciones:
L10 = (C P)
3
- Duración nominal en horas de servicio:
L10H = 106 60 × nL10 1.4.4.3. Sistema eléctrico
Una máquina eléctrica es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica (Chapman, 2012). Al conjunto de dispositivos eléctricos se le conoce como sistema eléctrico. Un sistema eléctrico se puede dividir en 2 partes, sistema de control o mando y sistema de fuerza. Asimismo, el sistema eléctrico debe contar con elementos de señalización que indican el status del equipo.
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26 - Sistema de control o mando
Es el sistema que controlo el encendido, apagado o velocidad de rotación del sistema eléctrico. En mando se usa a veces corriente DC a 12 o 24 V, o de otro modo corriente AC monofásico a 220 V. En la figura 1.26, se muestra un ejemplo de esquema de circuito de mando para un arranque directo.
Figura 1.26. Esquema de control de arranque directo. (Roldán Viloria, 2008)
- Sistema de fuerza
Es el sistema compuesto por el motor, la protección del motor y la conexión con el suministro. El sistema de potencia puede ser monofásico o trifásico a una tensión determinada.
Figura 1.27. Esquema de potencia de arranque directo. (Roldán Viloria, 2008)
27 Modelado elementos de máquinas asistido por computadora
Un producto terminado se debe presentar en un dibujo de conjunto donde cada elemento del producto también tenga un dibujo de detalle para propósitos de fabricación con precisión, esto se plantea en lo que se conoce como planos. El dibujo en ingeniería es necesario para una correcta comunicación entre el encargado del diseño y del técnico o ingeniero a cargo de la fabricación del producto. (Krar, Gill, & Smid, 2009)
Los planos deben presentar la geometría final del elemento a fabricar, espesores, acabado superficial, tolerancias, lista de materiales, peso, escala y unidades. En la actualidad se cuentan con diferentes softwares con los que se puede realizar dichos planos, por ejemplo:
SolidWorks, Inventor y Autocad. Al igual que en la soldadura, para realizar los dibujos en los planos, se tienen normas con fines de uniformizar la manera en la que describimos un producto; es posible mencionar la norma ISO 5456 para el dibujo técnico. La norma DIN 16 y 17 también para el rotulado de los dibujos en planos.
1.5.Hipótesis
Es posible aumentar la producción de maíz triturado diseñando una máquina trituradora con capacidad de 200 Kg/h, haciendo uso de las teorías de diseño, normas y estándares internacionales sobre diseño y soldadura.
Se debe evaluar a nivel conceptual la estructura de funciones requeridas en la trituradora, asimismo se debe evaluar diferentes alternativas de triturado, de accionamiento y de control que mejor se adecue a la molienda de maíz.
Se debe evaluar los mecanismos de la máquina de trituración para satisfacer la demanda.
Asimismo, se debe calcular la resistencia de la máquina para las solicitaciones de carga. El equipo debe arrojar la menor cantidad de maíz desperdiciado.
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28 Se debe tener en cuenta la fácil manipulación y funcionamiento de la máquina, de acuerdo a los estándares de seguridad establecidos, impacto ambiental y mantenimiento. Finalmente, se debe dejar planos para su fácil fabricación.
1.6. Objetivos
Objetivo general
Diseñar una máquina trituradora de grano de maíz para un molino del distrito de Pueblo Nuevo.
Objetivo específico
- Evaluar alternativas de solución a nivel conceptual de la máquina trituradora de maíz.
- Analizar la geometría y la dinámica de los mecanismos que componen la máquina trituradora de grano de maíz.
- Calcular la resistencia de las secciones de los elementos estructurales y de transmisión de la máquina trituradora de grano de maíz.
- Dimensionamiento y selección de rodamientos, fajas, elementos de control y potencia de la máquina trituradora.
- Modelar en Inventor los elementos constructivos de la máquina trituradora de grano de maíz.
1.7. Justificación
El diseño de una máquina trituradora de grano de maíz toma relevancia en general porque se hace uso de los conocimientos adquiridos en la universidad para dar solución tecnológica que aporta valor a la sociedad.
29 Justificación tecnológica
El principio fundamental del crecimiento económico es el desarrollo de tecnología, por ello, contar con un diseño propio de una máquina trituradora permitirá el desarrollo de la localidad de Pueblo Nuevo.
Justificación ambiental
Evitar pérdidas de maíz permite optimizar el uso de nuestros recursos, lo cual se logra a partir de un diseño sostenible en materia de fabricación, funcionamiento y mantenimiento.
Justificación social
Al diseñar una máquina para producir alimento de uso para las granjas del distrito, aporta valor por el hecho de ser parte de la cadena de suministro de alimentación. Esto produce fuentes de trabajo, porque se pueden abrir nuevos puestos de ventas y se puede proyectar a proveer a otros distritos produciendo el mismo efecto social.
Justificación económica
En el distrito de Pueblo Nuevo hay máquinas desfasadas como máquinas que en su tiempo fueron diseñadas para una determinada demanda, lo cual no permite aumentar sus ingresos.
La fabricación de un equipo de trituración, permitirá cubrir el aumento de la demanda de maíz molido y por ende mejorará la economía en los molinos de Pueblo Nuevo.
1.8. Limitaciones
En el presente proyecto, será necesario contar con las propiedades físicas del maíz que permitan calcular la fuerza para triturar el maíz. Será necesario contar con un programa de diseño asistido por computadora que tenga licencia.
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30 2. CAPÍTULO II.- MATERIALES Y MÉTODOS.
2.1. Tipo de investigación
Es una investigación del tipo aplicada, porque parte de la identificación de la necesidad de contar con tecnología que facilite el procesamiento de un material que en este caso es el maíz, a partir de los conocimientos teóricos de diseño mecánico en conjunto con el estado actual de la tecnología a nivel mundial.
2.2. Diseño de investigación
Esta es una investigación del tipo transversal descriptiva no experimental, porque se describe la metodología de aplicación de la norma de diseño alemana VDI 2221 como solución a una necesidad específica en un momento y lugar determinado.
Las variables involucradas en el diseño de la máquina de trituración de grano de maíz, son:
- Variables dependientes: Potencia de motor.
- Variables independientes: Capacidad de producción y dureza del maíz.
- Variables no controlables: Humedad del maíz.
En la figura 28, se presenta el diseño de investigación a través de un diagrama de flujo considerando los objetivos de esta investigación.
31
Inicio
Analizar alternativas de solución
Calcular dimensiones y la dinámica de los
mecanismos
Analizar la resistencia de los elementos
estructurales
Dimensionar rodamiento, fajas y el
sistema eléctrico
Modelar y simulación de trituradora.
Exigencias de la máquina trituradora.
Fichas técnicas de máquinas existentes.
Solución óptima.
Valores objetivos.
Capacidad de producción
Propiedades físicas del maíz
Fichas técnicas de motores
Potencia de motor eléctrico
Dimensiones de cámara de trituración.
Dimensiones de tolvas.
Solicitaciones de carga (peso propio, torque, etc).
Combinaciones de carga.
Propiedades mecánicas de los materiales.
Esfuerzos y deformaciones
Sección de perfiles y espesores.
Dimensiones de soldadura.
Reacciones en los apoyos
Torque y RPM
Reacciones en los apoyos
Fichas técnicas.
Parámetros geométricos de faja.
Tiempo de vida de rodamientos.
Sección de conductor, elementos de control y de seguridad.
Geometría de la trituradora.
Secciones de perfiles.
Tipo y tamaño de rodamientos.
Tipo y tamaño de faja.
Modelo 3D de trituradora
Factor de seguridad
Planos de fabricación
Fin
Figura 2.1. Diseño de investigación para máquina trituradora. Fuente propia.
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32 2.3. Población y muestra
Población
Máquinas trituradoras en Pueblo Nuevo.
Muestra
Máquina trituradora de maíz con capacidad de 200 Kg/h.
Muestreo
Muestreo por conveniencia.
2.4. Técnica y procesamiento de datos
Por ser una tesis no experimental, se optará por el análisis documental.
Tabla 2.1.
Técnica, instrumento y materiales.
Ítem Técnica Instrumento Materiales
1 Análisis documental Ficha de registro de datos
Hoja de cálculo Libros 2.5. Objeto de estudio
El objeto de estudio es la máquina trituradora de grano de maíz con capacidad de 200 Kg/h.
Se trata de un equipo electromecánico que cumple la función de reducir de tamaño al grano de maíz en un molino del distrito de Pueblo Nuevo.
2.6. Procedimiento de la solución al problema
Para diseñar el equipo de trituración, se debe cumplir con el diseño de investigación que a continuación se detalla.
33 Primero, se definirán las exigencias de la máquina triturados, con lo cual se procede a establecer métricas en términos de capacidad, seguridad, ergonomía, fabricación, montaje, etc. Se plantean los valores objetivos del diseño y luego se debe realizar el estudio de la estructura de funciones de la máquina trituradora a nivel conceptual. Para cada función se deben evaluar las alternativas según el estado actual de tecnología en el mercado mundial y así obtener una solución óptima.
Lista de
exigencias Valores
objetivos Funciones Alternativas
de solución Solución óptima
Estudio conceptual
Figura 2.2. Procedimiento para la evaluación de alternativas. Fuente: adaptado de las metodologías de diseño.
En segunda instancia, se planteará la geometría de la máquina en función a la capacidad requerida de 200 Kg/h y se realizará el cálculo cinemático para determinar las dimensiones del mecanismo o mecanismos que compondrán la máquina. Luego se calculará la potencia de accionamiento del motor y se determinarán las velocidades y el torque en cada parte del mecanismo o los mecanismos.
Predimensionamiento
Modelado del fenómeno de trituración
Tamaño de elementos
Tipo de unión Propiedades
del maiz
Cálculo de velocidades.
Cálculo del torque y potencia de accionamiento
Figura 2.3. Procedimiento para el análisis dinámico del mecanismo. Fuente propia.
Como tercer paso se deben garantizar con el cálculo estructural, que la máquina podrá resistir las solicitaciones de carga del sistema. Se debe realizar los diagramas de cuerpo libre para
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34 el cálculo de los elementos estructurales y mecánicos, para luego calcular las fuerzas, momentos y reacciones. Se hace necesario definir las exigencias mecánicas de las partes del equipo para el estudio de materiales. Es importante, seleccionar previamente las secciones de los perfiles para el eje principal, ejes secundarios, el espesor de plancha de la carcasa, el espesor de plancha de las tolvas, las cribas, las secciones de los elementos de soporte, etc.
Se identifican los puntos críticos y se establecen los criterios de aceptación. Finalmente, se calculan los esfuerzos y se verifica si cumple con el criterio de aceptación. En la figura 2.4 se muestra un flujograma del procedimiento para este objetivo.
Estudio de materiales Cálculo de
fuerzas, momentos y
reacciones.
Condición de operación Propiedades
requeridas Diagrama de
cuerpo libre
Selección de sección Para elementos
a tensión.
Identificación de puntos
críticos
Para elementos a compresión.
Para elementos a flexión.
Para elementos a torsión.
Establecer criterios de aceptación Cálculo de
esfuerzos:
normal y cortante.
Comprobación de
resistencia ¿Aceptable?
Diseño de máquina trituradora de maiz
NO
SI
Figura 2.4. Procedimiento para el cálculo estructural. Fuente propia.
En cuarto lugar, se procederá al dimensionamiento y selección de rodamientos según las reacciones en los apoyos y se tendrá en consideración si existen cargas axiales y radiales al mismo tiempo. Luego, se deberá calcular los elementos flexibles para la transmisión de potencia y giro. Se determinará la distancia entre centros de las poleas y se determinará la potencia de diseño de la misma. En este parte se deberá determinar las secciones de los
35 conductores eléctricos, la selección de los elementos de protección y los esquemas eléctricos para el tipo de arranque correspondiente.
Reacciones radiales y axiales.
Vida útil del rodamiento.
Selección del rodamiento.
Esquema unifilar de potencia y mando.
Dimensionamiento de conductores.
Cálculo de elementos de
protección.
Figura 2.5. Procedimiento para la selección de elementos complementarios. Fuente propia.
Para culminar el diseño del equipo triturador, se debe simular en un software de diseño CAD/CAE para verificar los cálculos realizados y para garantizar un correcto ensamblaje de sus partes.