UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA TRABAJO DE GRADUACION PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO MECANICO “PROPUESTA DE DISEÑO DE MAQUINA PARA LIMPIEZA, CLASIFICACION Y PULIDO DEL FRÍJOL” ELABORADA POR: CARLOS EMILIO ACEVEDO BANDEK VICTOR MANUEL SERRANO PORTILLO SOYAPANGO, MARZO DEL 2004, EL SALVADOR, C.A. UNIVERSIDAD DON BOSCO RECTOR: ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET RIVERA. SECRETARIO GENERAL: LIC. MARIO OLMOS, PBRO. DECANO DE LA FACULTA DE INGENIERIA: ING. GODOFREDO GIRON ASESOR DEL TRABAJO DE GRADUACION: ING. FRANCISCO ZULETA MORATAYA TUTOR DEL TRABAJO DE GRADUACION: ING. MARIO RIGOBERTO MARTINEZ JURADOS: ING. JOAQUIN ORLANDO RIVERA ING. JOAQUIN HUMBERTO CASTELLON ING. GUSTAVO SALOMON TORRES. UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTA DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA JURADO EVALUADOR DEL TRABAJO DE GRADUACION. “PROPUESTA DE DISEÑO DE MAQUINA PARA LIMPIEZA, CLASIFICACION Y PULIDO DEL FRIJOL” ING. JOAQUIN O. RIVERA ING. JOAQUIN H. CASTELLON JURADO JURADO ING. GUSTAVO SALOMON TORRES JURADO ING. FRANCISCO ZULETA MORATAYA ASESOR RECONOCIMIENTO Al Ing. Francisco Zuleta, por su asesoria, orientación y ayuda en la elaboración de este documento. A los ingenieros Joaquín Rivera, Joaquín Castellon y Salomón Torres, por brindarnos su tiempo como jurados evaluadores de este trabajo. Al Ing. Mario Martinez, por su orientación y colaboración durante todo el proceso de graduación. A todas aquellas personas que nos ayudaron directa e indirectamente en el desarrollo de este trabajo. AGRADECIMIENTOS A Dios Todo poderoso y a la santísima Virgen Maria por haberme guiado y ayudado durante todos estos años. A mi Padre, Victor Manuel Serrano (Q.D.D.G) me hubiera gustado que estuviese aquí en este momento para agradecerle todo lo que hizo por mi, por todo lo que me enseño y el ejemplo que me dio durante el tiempo que estuvimos juntos. A mi Madre, Lilian de Serrano, por haberme ayudado y aconsejado todos estos años y por su apoyo en los momentos mas difíciles y durante mi carrera universitaria ya que sin ella no hubiera podido terminar. A mis Hermanas, Lorena Jeannette y Lilian Eleonora, por su ayuda en todo momento y por darme ánimos siempre para salir adelante. A mi amigo Emilio por su amistad durante estos años de mi carrera universitaria y por su ayuda en nuestro trabajo de graduación. Y a todas aquellas personas que me han brindado su apoyo. Victor Manuel INDICE INTRODUCCION……………………………………………………………………………. 1 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACION……………………………………………….. 2 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………. 3 CAPITULOS: 1.0 PROPIEDADES DEL FRIJOL: 1.1 HISTORIA……………………………………………………………………..………. 5 1.2 VARIEDAD DE FRIJOL……………………………………………….…........... 6 1.3 PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL FRIJOL….…………………. 7 1.4 POSTCOSECHA DEL FRIJOL……………………………………………………. 9 1.5 CONDICIONES REQUERIDAS PARA PROCESAR FRIJOL….………….. 10 2.0 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS: 2.1 ETAPA DE LIMPIEZA………………………………………………………………. 16 2.1.1 LIMPIEZA CON AIRE NATURAL………………………………………... 17 2.1.2 LIMPIEZA CON ZARANDA MANUAL………………………............. 17 2.1.3 LIMPIEZA CON AIRE FORZADO……………………………….......... 19 2.1.4 LIMPIEZA CON MALLAS CILINDRICAS……………………..………. 21 2.1.5 LIMPIEZA CON ZARANDAS PLANAS…………………………………. 21 2.1.6 PRINCIPIOS BASICOS DE SEPARACION…………………..………. 24 2.2 ETAPA DE CLASIFICACION…………………………………………………….. 26 2.2.1 MESAS DENSIMETRICAS………………………………………………… 27 2.2.2 ASPIRADORAS………………………………………………………......... 28 2.2.3 SEPARADORES NEUMATICOS………………………………………….. 30 2.3 ETAPA DE PULIDO………………………………………………………………… 34 2.3.1 PULIDOR CENTRIFUGO………………………………………............ 34 2.3.2 PULIDOR DE ASERRIN………………………………………............ 35 3.0 INVESTIGACION DE CAMPO: 3.1 FORMULACION DE LAS ENCUESTAS………………………………………. 38 3.2 DETERMINACION DE LAS VARIABLES E INDICADORES…….…….. 42 3.3 FORMATO DE ENCUETAS………..…………………………………….. …….. 43 3.4 TABULACION E INTERPRETACION DE DATOS………………………… 45 4.0 PROPUESTA DE DISEÑO: 4.1 CUADROS COMPARATIVOS ENTRE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA……………………………………………………………………. 54 4.1.1 CRITERIOS TOMADOS PARA LA TOMA DE DECISIONES…… 56 4.2 METODOS DE PROCESAMIENTO A UTILIZAR…………..……………… 57 4.2.1 ETAPA DE LIMPIEZA……………………………………………………… 57 4.2.2 ETAPA DE CLASIFICACION…..…….…………….…………………… 62 4.2.3 ETAPA DE PULIDO…………………………….………………………….. 64 5.0 DISEÑO DE LA MAQUINA. 5.1 ELEVADOR DE CANJILONES: 5.1.1 ANALISIS DE DESCARGA DE LOS CANJILONES………………. 69 5.1.2 VELOCIDAD DEL ELEVADOR DE CANJILONES………………… 73 5.1.3 TRANSMISION DEL ELEVADOR…………………………………….. 74 5.1.4 DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DEL ELEVADOR…….. 75 5.1.5 DETERMINACION DE LA POTENCIA………………………………. 77 5.1.6 DETERMINACION DE LA CADENA A UTILIZAR ………………. 78 5.1.7 DISEÑO DEL EJE #1 DEL ELEVADOR ….………………………… 80 5.1.8 DISEÑO DEL EJE #2 DEL ELEVADOR ……………….…….……. 86 5.1.9 SELECCIÓN DE COJINETES……………………………………….…. 90 5.1.10 SELECCIÓN DEL MOTOR DEL ELEVADOR………………….….. 92 5.1.11 DETERMINACION DE LA BANDA A UTILIZAR…………………. 96 5.2 ZARANDA LIMPIADORA 98 5.2.1 TRANSMICION DE LA ZARANDA……………………………….….... 104 5.2.2 DISEÑO DE EJE DE ZARANDA………………………………………… 106 5.2.3 SELECCIÓN DE COJINETES………………………….………………… 109 5.2.4 SELECCIÓN DE MOTOR ELECTRICO……………………………….. 110 5.2.5 DETERMINACION DE LA BANDA A UTILIZAR…….…………….. 111 5.2.6 SELECCIÓN DEL VENTILADOR PARA CAMPANA DE EXTRACCION………………………………………………………………… 113 5.3 SEPARADOR NEUMATICO 5.3.1 SELECCIÓN DE VENTILADOR………………………………………… 114 5.4 ELEVADOR DE CANJILONES……………………..……………………….. 116 5.5 TRANSPORTADOR DE TORNILLO SINFÍN: 5.5.1 POTENCIA REQUERIDA…………..……………………………………. 116 5.5.2 SELECCIÓN DE CADENAS……………..………………………………. 119 5.5.3 DISEÑO DE EJE 2 DE TORNILLO SINFÍN…..……………………. 125 5.5.4 SELECCIÓN DE COJINETES.………………………………………….. 131 5.5.5 SELECCIÓN DE MOTOREDUCTOR………………………………….. 135 5.6 ZARANDA SEPARADORA………………………………..………………….. 138 5.7 ANALISIS DE LA ESTRUCTURA…………………………………………... 139 5.7.1 ANALISIS DE LA VIGA LATERAL #1………….…..……………… 140 5.7.2 ANALISIS DE LA VIGA POSTERIOR #2……………….………… 142 5.7.3 ANALISIS DE LAS COLUMNAS………………………………………. 144 5.7.4 ANALISIS DE LA SOLDADURA DE LA MENSULA………….….. 148 5.7.5 ANALISIS DE LA SOLDADURA DE LA VIGA #2 ………….….. 152 5.7.6 SUJECCION DE LA MAQUINA AL SUELO……………………….. 155 6.0 ANALISIS ECONOMICO: 6.1 INTRODUCCION……………………………………………………………….. 162 6.2 INVERSION INICIAL………………………………….………………………. 163 6.3 COSTOS DE OPERACIÓN………………………….……………………….. 165 6.4 INGRESOS ESTIMADOS POR LAS VENTAS….……………………….. 166 6.5 CALCULO DE INDICADORES ECONOMICOS. (TIR, VAN, R B/C, TRI)…………………………………………………….. 167 6.6 CONCLUSIONES FINACIERAS……………………………..…………….. 173 CONCLUSIONES………………………………….…………………………………….. 174 RECOMENDACIONES………………………………………………………………… 175 BIBLIOGRAFIA….………………………………………………………………………. 176 GLOSARIO……………………………………………………………………………….... 178 ANEXOS……………………………………………………………………………………….. 180 CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA MAQUINA…….…………………….. 181 MEDIDAS DE SEGURIDAD………………………………………………………..... 183 RIESGOS Y MEDIDAS DE PREVENCION……………………………………..... 185 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO…………………………………………………. 186 MANTENIMIENTO PREVENTIVO……………………………………………….... 187 DETECCION DE FALLAS Y COMO RESOLVERLAS…………………………… 189 METODO PARA MEDIR EL CONTENIDO DE HUMEDAD…………………. 190 IMPACTO AMBIENTAL………………………………………………………………… 192 LISTADO DE MATERIALES A UTILIZAR………………………………………… 193 CIRCUITO DE CONTROL DE LA MAQUINA…………………………………… 195 CIRCUITO DE POTENCIA……………………………………………………………. 197 INDICE DE TABLAS, FIGURAS Y CUADROS …………………………………. 198 PLANOS DE FABRICACION…………………………………………………………. 229 PLANO DE EMSAMBLE……………………………………………………………….. 243 1 I N T R O D U C C I Ó N: El presente documento responde la intención de dar a conocer a la sociedad salvadoreña una propuesta de diseño de una maquina para limpieza, clasificación y pulido del frijol para ponerlo al servicio de la micro y pequeña industria comercializadora de granos de El Salvador. (MYPE) Las operaciones más importantes en el procesamiento de granos especialmente del frijol son: la limpieza, clasificación y pulido, esto se efectúa en el orden antes mencionado y dichas etapas se pretenden llevar a cabo en una sola máquina que ejecutará cada etapa por separado. Para poder procesar el frijol, este debe cumplir ciertos valores de humedad y de temperatura, de lo contrario no se obtendría una buena calidad del producto. El diseño de la máquina que se propone, ofrece a las micro y pequeñas empresas de El Salvador una herramienta que les ayude a volverse más competitivos. Las industrias comercializadoras de granos juegan un papel muy importante en la economía nacional, debido a que su producto forma parte de la canasta básica. 2 I M P O R T A N C I A Y J U S T I F I C A C I O N: Las grandes empresas son las que se encargan del procesamiento de los granos específicamente del frijol, esto les da la potestad de disponer del precio que cobraran a las demás por procesar el grano. (Limpiarlo, clasificarlo y pulirlo) Es por ello que surge la idea de brindar una nueva alternativa para la micro y pequeña empresa, la cual consiste en proponer una máquina cuya producción este acorde a sus ventas y cuyo costo de adquisición esté al alcance económico de estas. Con este diseño se pretende aportar mejores técnicas para realizar las tareas de limpieza, clasificación y pulido del frijol. Además, facilitaría el procesamiento del frijol ya que las mismas ventas comercializadoras podrán hacerlo sin necesidad de recurrir a terceros. El problema que se estaría resolviendo es que la MYPE pueda contar con su propia maquinaria para el procesamiento del frijol, y comprendan el beneficio que les significaría poseerla. 3 O B J E T I V O S: O B J E T I V O G E N E R A L: Presentar una propuesta para el diseño de una máquina procesadora de frijol que represente una alternativa al sector agroindustrial a nivel de la micro y pequeña empresa. O B J E T I V O S E S P E C I F I C O S:  Diseñar y seleccionar los elementos, mecanismos y materiales que garanticen un buen funcionamiento y al mismo tiempo permita la adquisición de la maquinaria a la micro y pequeña empresa (MYPE).  Integrar los procesos de limpieza, clasificación y pulido del frijol en una sola máquina.  Identificar las ventajas que se pueden obtener al utilizar ésta maquinaria para el procesamiento del frijol. 4 CAPITULO 1 “PROPIEDADES DEL FRIJOL” 1.1 HISTORIA 1.2 TIPOS DE FRIJOL 1.3 PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL GRANO 1.4 POSTCOSECHA. 5 1.0 PROPIEDADES DEL FRIJOL (1) 1.1 HISTORIA El Salvador es un país donde el recurso tierra es muy escaso y sus características varían de una zona a otra. Las áreas de siembra de frijol en los últimos 10 años no han sido constantes, con variación anormales aún cuando la demanda por el grano aumenta en relación con el aumento de la población, la cual se estima en un 2.3% anual. Durante el año 2000/2001, la región central mostró las mayores áreas de siembra con 34100 mz, la región Occidental 30900 mz, y la región paracentral 23800 mz con una producción de 478050, 391500 y 262100 qq respectivamente, y con rendimiento promedio de 14, 12.7, y 11 qq/mz en su mismo orden. En el Salvador, el frijol es el cultivo más importante entre las leguminosas de grano, tanto por la superficie que ocupa como por los ingresos que genera como producto de consumo interno. Así, el frijol, después del maíz, ocupa la mayor superficie de siembra y se cultiva en todo el país, desde los 100 hasta 1500 metros sobre el nivel del mar. (msnm) El frijol se a consumido en el país y en el resto de los países del área desde antes de la llegada de los españoles, tanto por tradición como por su valor nutritivo como fuente de proteína. (1) Boletín Técnico No. 2 CENTA Año 2002 6 1.2 VARIEDAD DEL FRIJOL: Aunque en nuestro país se conocen 4 variedades de frijol, en otros países se cultivan otra diversidad de frijoles las cuales se detallan a continuación: a) Frijol Lima Pequeño - Este frijol chico, plano y ovalado. b) Frijol Ojo Negro – Este frijol pequeño y color de crema. c) Frijol Colorado - distinguido por su brillante color marrón, buen tamaño y textura firme. d) Frijol Rosado - Este frijol es de color rosado y de forma ovalada. e) Frijol Blanco Pequeño – Este frijol es color blanco, pequeño y forma ovalada. f) Frijol Rojo Largo - Esta versión menos colorada de los frijoles oscuros y es de forma ovalada. Fig. 1.1 Variedades del frijol. a) Lima, b) Ojo negro, c) Colorado, d) Rosado, e) Blanco, f) Rojo d. e. f. a. b. c. 7 Existe una diversidad de tipos de frijol en el mercado pero haremos referencia a aquellos que la máquina va a procesar y que son los que mas se comercializan en nuestro medio, entre estos están: Figura 1.2 Diversidad de frijoles que la máquina va manejar. a. Rojo b. Negro c. Rosado (seda) 1.3 PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL FRIJOL Por lo general el consumidor no le presta interés a las propiedades del frijol puesto que su atención se centraliza en el sabor y calidad del producto sin embargo en nuestro proyecto es de suma importancia conocer las propiedades físicas y químicas del grano. En las tablas 1.1, 1.2 y 1.3 se indican algunos valores de dichas propiedades Tabla 1.1 Propiedades Físicas del Frijol. * * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural.Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. Variedad Longitud (mm) Ancho (mm) Densidad(g/cm 3 ) Negro 9.235 6.31 1.17 Rojo 9.63 6.13 1.02 Rosado 9.39 6.23 1.09 8 Tabla 1.2 * Comportamiento de los coeficientes de fricción estático ante diferentes superficies y peso de 1000 granos en variedades de frijoles. Tabla 1.3 Propiedades químicas de algunas semillas. * Especie Proteína (g) Lípidos (g) Carbohidratos Cenizas (g) Total (g) Fibra (g) Frijol blanco 22.3 1.6 61.3 4.3 3.9 Frijol rojo 22.5 1.5 61.9 4.2 3.7 Frijol negro y castaño 22.3 1.5 61.2 4.4 3.8 * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. Variedad Coeficiente fricción en el acero Coeficiente fricción en madera Coeficiente fricción en goma Peso/1000 granos (gr) Negro 0.43 0.47 0.47 188 Rojo 0.43 0.46 0.52 209 Rosado 0.46 0.49 0.52 179 9 1.4 POSTCOSECHA DEL FRIJOL. Una vez alcanzada la madurez en la planta de frijol se procederá a realizar las siguientes etapas: Figura 1.3 Proceso del frijol desde su corte hasta la comercialización. 10 A continuación se detalla cada una de las etapas: 1.- CORTE: Extracción de las vainas de las plantas de frijol, el cual se realiza en forma manual. 2.- SECADO DE LA VAINA: Exposición de la vaina al sol para eliminar la humedad y facilitar la extracción del frijol. 3.- DESENVAINADO: Golpear la vaina para su rotura y así extraer los granos que están en su interior. 4.- SECADO DEL GRANO: Eliminación de la humedad del grano para poder ser procesado y almacenado. 5.- ETAPAS DE MANUFACTURA (Limpieza, Clasificación y pulido) 6.- PRODUCTO: Venta del grano al consumidor. 1.5 CONDICIONES REQUERIDAS PARA PROCESAR EL FRIJOL: Para iniciar los procesos de manufactura es necesario que el grano se encuentre con un determinado porcentaje de humedad para no maltratarlo y al mismo tiempo conservarlo un mayor tiempo almacenado. Para la recolección de las vainas en las plantas de frijol se recomienda que posea cierto contenido de humedad esta información se encuentra en la tabla 1.4. 11 Tabla 1.4 Porcentaje de humedad de los granos en el interior de las vainas * GRANOS HUMEDAD CARACTERISTICAS FISICAS Arroz 22-28% Partículas curvadas, envolturas amarillentas, granos completos, ni demasiado maduros (agrietados), ni verdes. Maíz 22-28% Carozos casi secos, granos duros y vidriosos resistentes al arañazo con la uña, punto negro en la cariópside. Frijoles 30-40% Vainas maduras y amarillentas pero no todavía abiertas. Evidentemente, cuanto más elevado es el contenido de humedad de los granos en el momento de la recolección, mayores son los riesgos de pérdidas debidas al enmohecimiento, a los insectos y a la germinación. Para la manufactura es necesario que el grano contenga una humedad de 14% +/- 1 para evitar que sufra daño mecánico cuando este pasa por las etapas de manufactura que son la limpieza, clasificación y pulido del grano, al mismo tiempo le permite al grano prolongar su tiempo de almacenado. 1.5.1 Influencias de los factores ambientales Para una conservación cualitativa y prolongada de los productos es preciso frenar o incluso detener los procesos de degradación. La degradación de los granos durante el almacenamiento depende principalmente de la combinación de dos factores:  la temperatura.  la humedad. * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. 12 La temperatura y la humedad contribuyen de manera determinante a acelerar o a retrasar los fenómenos complejos de transformación bioquímica (sobre todo la "respiración" de los granos) que están en el origen de la degradación de los granos. Tienen además una influencia directa sobre el ritmo de desarrollo de los insectos y de los microorganismos (moho, levaduras y bacterias) y sobre la germinación precoz e intempestiva de los granos. En el diagrama general de conservación, concebido por Burges y Burrel, se establece la relación entre temperatura y contenido de humedad para determinar la zona de influencia de ciertos fenómenos importantes de degradación, tales como el desarrollo de insectos y moho y la germinación de los granos. Figura 1.4 * Procesos de degradación del grano en función de la temperatura y humedad. * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. 13 Es fácil observar que cuanto más elevada es la temperatura, menor debe ser el contenido de humedad para asegurar una buena conservación de los productos. Dada su influencia sobre el ritmo de desarrollo de los fenómenos de degradación mencionados, la temperatura y el grado de humedad de los granos condicionan la duración máxima del almacenamiento. Tabla 1.5 * Duración del grano en función de la temperatura y humedad. * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. DURACION DEL ALMACENAMIENTO EN DIAS TEMPERATURA HUMEDAD 5°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C 13% 180 115 90 14% 160 100 50 30 15 % 100 50 30 15 16% 130 50 30 20 8 17% 65 35 22 12 5 18% 130 40 25 17 8 2 19% 70 30 17 12 5 0 20% 45 22 15 8 21% 30 17 11 7 22% 23 13 8 6 23% 17 10 7 5 24% 13 8 4 4 25% 10 3 6 3 14 El siguiente cuadro indica el contenido de humedad recomendado para un almacenamiento de larga duración de los diversos tipos de granos. Tabla 1.6 * Humedad recomendada para un almacenamiento de larga duración en diferentes granos. GRANOS HUMEDAD GRANOS HUMEDAD Arroz cáscara 14.0% Girasol 9.0% Arroz descascarado 13.0 % Trigo 13 .0 % Maíz 13.0% Mijo 16.0% Sorgo 12.5 % Café 13.0% Frijoles 14.0 % Cacao 7.0 % * Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Editor: Oficina regional de la FAO para América latina y el caribe Santiago, Chile 1993. Z= 36 Fig 5.11 Diagrama de momento de las viga lateral Figura 5.12 Diagrama de momento de la viga posterior   $14,012.71 71.208 0)71.208(2 0    RA RBRA FY 15 CAPITULO 2 “DESCRIPCION DE LOS PROCESOS” 2.1 ETAPA DE LIMPIEZA. 2.1.1 Limpieza con aire natural. 2.1.2 Limpieza con zaranda manual. 2.1.3 Limpieza con aire forzado. 2.1.4 Limpieza con mallas cilíndricas. 2.1.5 Limpieza con zarandas planas. 2.1.6 Principios básicos de la separación. 2.2 ETAPA DE CLASIFICACION. 2.2.1 Mesa Densimetrica. 2.2.2 Aspiradoras. 2.2.3 Separador Neumático. 2.3 ETAPA DE PULIDO. 2.3.1 Pulidor Centrifugo. 2.3.2 Pulidor de Aserrin. 16 2.0 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS: En este capitulo se conocerá detalladamente el funcionamiento y manejo de cada uno de los diferentes métodos de limpieza, clasificación y pulido de grano. 2.1 ETAPA DE LIMPIEZA: Consiste en la eliminación de todas aquellas impurezas que sean diferentes del grano, y esta se logra con la implementación de métodos mecánicos convencionales que permiten separarlos. La limpieza de los productos agrícolas es una práctica adoptada hace mucho tiempo y que poco ha cambiado desde entonces, pues en la actualidad se utilizan los mismos principios mecánicos. No obstante que las máquinas modernas permiten una buena limpieza de los productos, poseen un rendimiento bajo, lo que muchas veces limita la recepción de éstos en las grandes unidades de almacenamiento. En el medio rural, los sistemas de limpieza son bastante rudimentarios; por lo general, las impurezas se separan por medio del aire natural utilizando cernidores manuales; ocasionalmente equipos más complejos, como máquinas con sistemas de aspiración de aire y juego de mallas o zarandas. En las unidades almacenadoras o en las grandes propiedades agrícolas, donde se requiere limpiar grandes cantidades de granos, se utilizan máquinas de limpieza con sistemas de aspiración de aire y zarandas. Estas máquinas tienen una alta capacidad para una eficiente limpieza, pero su operación es relativamente compleja. Existen varios sistemas para la limpieza de los granos. Los más utilizados son:  Limpieza con aire natural.  Limpieza con zarandas manuales.  Limpieza con aire forzado.  Limpieza con zarandas cilíndricas rotativas  Limpieza con zarandas planas. 17 2.1.1 Limpieza con aire natural. La limpieza mediante aire natural es uno de los métodos más simples y antiguos, es aquel que utiliza el viento figura 2.1. Este método es muy utilizado en la actualidad por los pequeños productores rurales, que tienen un bajo poder adquisitivo. Este sistema consiste en levantar los granos a una determinada altura, dejándolos caer para que el viento separe las impurezas más livianas, como polvo, hojas, granos vacíos, etc. Este método de limpieza tiene el inconveniente de que no elimina las impurezas o materias extrañas más pesadas, como arena, piedras, terrones etc., que caen junto con los granos Figura. 2.1 Limpieza con aire natural 2.1.2 Limpieza con zaranda manual. Este método es el más utilizado por los pequeños agricultores. El método consiste en utilizar mallas o zarandas manuales y realizar un movimiento hacia arriba con la zaranda, lanzando el producto al encuentro de la corriente de aire; el viento se encarga de eliminar las impurezas más livianas. Enseguida se realiza un movimiento 18 de vibración o vaivén de la zaranda, para propiciar que las impurezas menores pasen por los orificios figura 2.2. Figura 2.2 Limpieza con zaranda manual. Las zarandas manuales son muy utilizadas porque permiten la limpieza de pequeñas cantidades de productos de manera muy eficiente y pueden ser construidas fácilmente por los propios agricultores. Estas características permitieron su difusión en casi todos los países del mundo. La capacidad de limpieza con las zarandas manuales es del orden de 120 a 180 kg por hora de trabajo. Tiene la desventaja de ser una operación de bajo rendimiento y de exigir gran esfuerzo físico y habilidad del operador. Por esta razón, la técnica es penosa y perjudicial para la salud, pues el trabajador permanece en constante contacto con la polución causada por el polvo figura 2.3 19 Figura 2.3 Zarandas manuales. 2.1.3 Limpieza con aire forzado. El uso de ventiladores para la limpieza de los granos está bastante difundido en algunos países. Consiste básicamente en un ventilador que produce un flujo de aire, el que realiza la separación de las impurezas del producto. Esta separación se efectúa a base de las diferencias de la velocidad terminal de las impurezas y de los granos. Este sistema de limpieza sirve para eliminar impurezas livianas, tales como polvo, hojas, tallos, ramillas, etc. y se recomienda para la limpieza de maíz, arroz y frijoles a 20 nivel de pequeños productores. La limpieza se lleva a cabo haciendo pasar una corriente de aire por los granos; las impurezas más livianas son lanzadas fuera de la máquina por la acción del aire del ventilador. Cuando el producto contiene muchas impurezas pesadas, como terrones y arena, no es posible con este método realizar una buena limpieza. El ventilador está constituido por una caja con forma de caracol, en cuyo interior existe un rotor formado por un conjunto de paletas o aspas dispuestas en círculo, que al ser accionadas en forma manual o mecánica generan una corriente de aire. El producto se coloca en la tolva superior, que es un depósito en forma de "V", con una pequeña abertura en la parte inferior, provista de una válvula o compuerta mediante la cual se regula la cantidad de producto que entra a la limpiadora. Al pasar el producto por la corriente de aire se separan las impurezas livianas y cae el producto limpio en el colector Figura 2.4 Figura 2.4 Limpieza con aire forzado. 21 2.1.4 Limpieza con mallas cilíndricas. Las máquinas de limpieza con mallas cilíndricas rotativas son muy utilizadas en las grandes haciendas, debido a su gran capacidad para limpiar y porque requieren baja potencia para su funcionamiento. Están constituidas básicamente por dos mallas cilíndricas, colocadas una dentro de otra. La malla interior tiene forma de cono, para que los granos se deslicen cuando se opera el equipo a una velocidad más baja, tal como se muestra en la figura 2.5. Figura 2.5 Limpieza con zaranda rotativas. 2.1.5 Limpieza con zarandas planas. El conjunto debe estar formado por lo menos por dos zarandas. En la primera, el tamaño de los orificios debe permitir el paso de los granos y retener todas las impurezas mayores que los granos. En la zaranda inferior, el tamaño de los orificios debe permitir únicamente el paso de las impurezas que son menores que los granos, tal como se observa en la figura 2.6 22 Figura 2.6 Zarandas planas El conjunto de zarandas esta formado por los siguientes elementos: a) las zarandas y las mallas. b) el sistema de vibración. c) el limpiador de zarandas. a) Las zarandas o mallas: Las zarandas de las máquinas de limpieza están construidas de láminas o chapas metálicas perforadas y delgadas. Pueden también confeccionarse utilizando hilos metálicos, en forma de mallas; estas mallas están provistas de un marco o moldura de madera o metal, que facilita su manejo e instalación. Las zarandas se instalan normalmente con una pequeña inclinación que varía entre 6 y 12 grados. En algunos casos se instalan en posición horizontal, pero deben poseer un mecanismo de vibración similar al de las zarandas inclinadas, para permitir el desplazamiento del producto y un mayor contacto de los granos con las zarandas. 23 Algunas veces es necesario utilizar una tela o un plástico para cubrir la zaranda superior y asi evitar que los granos caigan afuera de la zaranda. Los orificios de las zarandas pueden ser redondos, ovalados, triangulares, etc. Se recomienda utilizar la zaranda apropiada para cada tipo de producto que se va a limpiar, para que sus orificios produzcan mejores resultados durante la separación. Zaranda de orificios redondos. Las zarandas de orificios redondos se utilizan para la separación de materiales en los que predomina la forma esférica o redondeada. Para las máquinas que clasifican los granos se recomiendan las zarandas de orificios redondos, porque realizan la separación sobre la base del ancho de los granos. Las zarandas de orificios redondos se especifican a base de su diámetro en milímetros fracciones de pulgadas. Zaranda de orificios triangulares. Las zarandas de orificios triangulares se utilizan más para la separación de impurezas que presentan forma triangular, como las semillas de algunas malezas. La especificación de los orificios de las zarandas triangulares se realiza de dos modos. En el primero se pueden designar los orificios por la dimensión en milímetros de uno de los lados del triángulo equilátero, o en 64avos de pulgada. En el segundo, se considera el diámetro del círculo inscripto en el triángulo, en milímetro o 64avos de pulgada, seguido de la letra V, o sea, 6 V, 10 V o 15 V. Zaranda de malla cuadrada. Las zarandas de malla cuadrada se especifican por el número de aberturas que contiene una pulgada cuadrada, considerado los dos lados del área, tales como 3 x 14, 18 x 18, etc. Zaranda de malla rectangular. Las zarandas de malla rectangular se especifican en forma similar a la cuadrada, considerando el número de aberturas contenidas en una pulgada cuadrada, considerando los dos lados del área, tales como 4 x 12; 3 x 21; 6 x 60, etc. Las mallas rectangulares se instalan de tal forma que el largo de la malla coincida con la dirección del movimiento de la masa de granos. 24 b) El sistema de vibración: El sistema de vibración se utiliza para hacer oscilar las zarandas, con lo que el producto se pone en contacto con los orificios, se facilita la separación y se propicia un deslizamiento del producto sobre las zarandas. c) Limpiador de zarandas: La separación de los granos de las zarandas se puede realizar por medio de cepillos con cerdas y por medio de un martillo Cepillos o escobillas. El uso de cepillos o escobillas de limpiar también está muy difundido. Consiste en instalar cepillos sobre carros móviles que se deslizan de un extremo a otro, debajo de las zarandas. Los cepillos se instalan sobre el carro de tal forma que puedan barrer la superficie inferior de la zaranda, removiendo las partículas que estén obstruyendo los orificios. Los cepillos tienen el inconveniente de exigir cuidados en su mantenimiento y regulación. Martillos. Los martillos normalmente se utilizan junto con los cepillos. Las semillas que obstruyen los orificios y no son eliminadas con los cepillos, se liberan con la vibración de los golpes del martillo bajo las zarandas. El movimiento de los martillos se logra con la vibración de la propia zaranda. 2.1.6 Principios básicos de la separación La separación de las impurezas de los granos se basa en las diferencias que existen entre las propiedades físicas de los mismos y las impurezas. Cuando estas propiedades son similares o idénticas, las separación se torna difícil, como por ejemplo, cuando las piedras tienen el mismo tamaño que el grano que se está limpiando. En este caso, siempre que sea posible, la separación debe basarse en la propiedad cuya diferencia sea más pronunciada. Las máquinas que limpian granos realizan la separación en función de tres características básicas: tamaño, forma y velocidad terminal. Las características de tamaño y forma de un producto interactúan 25 durante el proceso de separación, por lo que es muy importante definir correctamente estas características. Tamaño: Los granos tienen tres dimensiones: largo, ancho y grosor. En las máquinas de limpieza, para realizar la separación se utilizan únicamente las dimensiones de largo y grosor figura 2.7 Figura 2.7. Dimensiones de varios granos: c = largo; I = ancho; y e = grosor. Separación en función del ancho: Para separar los granos de un mismo ancho se puede utilizar una zaranda de orificios redondos, considerando que los granos tienen el mismo largo y espesor figura 2.8. Figura 2.8 Separación en función del ancho http://www.fao.org/inpho/vlibrary/x0027s/X0027S1Y.GIF 26 Separación en función del grosor: Los granos que poseen grosores diferentes pueden ser separados con una malla de orificios alargados u oblongos, si tienen el mismo largo y ancho figura 2.9. Figura 2.9 Separación en función del grosor Separación en función de la longitud: Los materiales o granos que poseen idéntico ancho y grosor pero diferentes longitudes, pueden separarse mediante el uso de un separador de disco o cilindro alveolado; no es posible separarlos por medio de limpiadoras de zarandas. Forma: La elección del tipo de perforación de las mallas usadas como separadores en las máquinas de limpieza está relacionada con la forma del producto. De acuerdo con el tipo de granos e impurezas, es necesario elegir una malla apropiada a la forma del producto que se pretende separar. 2.2 ETAPA DE CLASIFICACION. En esta etapa lo que se desea es como su nombre lo dice clasificar el grano de acuerdo a sus características físicas para la clasificación de estos se utilizan diferentes métodos o elementos mecánicos entre los que se encuentran: o Mesas densimetricas o aspiradoras o Separadores Neumáticos. http://www.fao.org/inpho/vlibrary/x0027s/X0027S20.GIF 27 2.2.1 Las Mesas Densimetricas Son usadas para obtener una separación donde las características físicas de el producto longitud, ancho, espesor y forma son similares o idénticas, pero sin embargo hay una pequeña diferencia en el peso especifico y/o peso de un grano o partícula a otro. Ver figura 2.10. Figura 2.10 Mesa densimetrica y sus partes. Partes que componen una Mesa Densimetrica. 1. Armadura reforzada de acero. 2. Filtros de tela para admisión de aire limpio. 3. Bocas de ensaque o descarga. 4. Tenedores para fijación de sacos. 5. Divisores ajustables para dirigir el producto a las bocas de descarga. 6. Registro de graduación del volumen de aire de cada ventilador. 7. Registro de control de vibración del tablero. 8. Palanca ajustable de inclinación lateral. 9. Fijadores de inclinación longitudinal. 10. Prisionero de fijación del tablero. 11. Tablero vibratorio. 28 Las mesas densimetricas mediante una perfecta combinación de aire impulsado por turbinas interiores, vibración y un adecuado tamiz para cada producto, proporciona la máxima calidad a la hora de seleccionar los productos. Ver figura 2.11 Figura 2.11 Vista de planta de la mesa densimetrica. El diagrama anterior nos permitirá entender de una manera mas clara el funcionamiento de las mesas densimétricas que estas por medio de la combinación de la vibración, inclinaciones y flujo de aire permite clasificar los granos de una manera muy eficiente. En las diferentes salidas (1, 2, 3, 4) se ve como se van dirigiendo los granos de acuerdo a su peso especifico este método para la clasificación es muy efectivo pero posee la desventaja que su costo es demasiado alto y no permite que este al alcance de la Micro y Pequeña empresa (MYPE), 2.2.2 Aspiradoras. Las aspiradoras poseen un ventilador centrífugo que esta colocado en su extremo de descarga. Al funcionar el ventilador, se induce un vacío (presión reducida) en la separadora, originando que el aire externo a la presión normal se precipite dentro de la separadora. 29 El tipo principal de aspiradora usada es la aspiradora fraccionaria. Se le llama así porque produce cuatro separados o fracciones que varían de ligera a pesada. Funcionamiento y manejo: La mezcla de semillas es medida por un rodillo alimentador al entrar a la columna ascendente de aire. Las semillas caen contra dicha corriente y son descargadas por la toma de aire fuera de la máquina. El resto de la mezcla del material más ligero es levantado por el aire ascendente. El área transversal de la sección separadora aumenta gradualmente de tamaño, reduciendo la velocidad del aire y originando que las partículas levantadas caigan “fuera” de la corriente en orden decreciente a sus velocidades terminales. En esta forma, además del primer separado o fracción pesada, que cae a través de la columna de aire, se producen otras fracciones, cada una con diferente velocidad terminal (o peso). La primera fracción (segundo separado) esta generalmente formada por las semillas de segundo grado; la fracción segunda es el tercer grado y la fracción tercera, generalmente de poco o nulo valor económico, la constituyen el polvo, paja y otros materiales extremadamente ligeros. Las fracciones segunda y tercera a menudo se llaman levantados intermedios. La fracción (pesada) cae a través de la columna de aire, es descargada y puede ser desalojada o transportada fuera de la separadora. Las otras tres fracciones caen dentro de tres cámaras provistas de compuertas rotativas de aire, a través de las cuales las semillas son descargadas. En esta forma la aspiradora fraccionaria produce separados graduados de un lote de semillas en forma continua, según lo muestra la figura 2.12. 30 Figura 2.12 corte transversal de una aspiradora – fraccionaria A) Tolva, B) Columna de aire a través del cual las semillas pesadas caen contra la corriente; C) Columna en la cual las semillas mas ligeras y la paja son levantadas; D) Sección que reciben los levantados más pesados; E) sección que recibe la fracción menos pesada que la anterior; F) Sección en la cual se depositan los materiales desechados extremadamente ligeros. 2.2.3 Separadores Neumáticos. Están diseñados para efectuar remociones basadas en las diferencias de algunas propiedades o características entre las semillas del cultivo y las impurezas indeseables, tal como se muestra en la figura 2.13. REGULADOR DE TIRO DEL AIRE 31 En las separadoras por aire, la propiedad o característica concerniente se denomina velocidad terminal. Por ello, las aspiradoras y separadoras neumáticas pueden apropiadamente llamarse separadoras por velocidad terminal. Velocidad terminal es un nombre complejo para un fenómeno sencillo. Es la velocidad máxima o final que una semilla alcanzara en su caída libre antes que la resistencia del aire le impida seguir cayendo mas aprisa. Si se deja caer un puñado de diversas semillas desde una altura considerable algunas caerán más aprisa que otras, por ser mas aerodinámicas (ofrecen menos resistencia al aire) en relación con su peso. El proceso inverso produce el mismo efecto: cuando una corriente de aire es soplada hacia arriba a través de una masa de semillas, las de alta resistencia al aire en Figura 2.13 Sección longitudinal de un separador neumático. 32 relación, con su peso serán levantadas a una velocidad de aire mas baja que las semillas que ofrecen menor resistencia. La velocidad terminal de una semilla es equivalente a la velocidad del aire requerida para suspender la semilla en una columna ascendente de aire confinado. Si el producto es sometido a una corriente de aire ascendente y comienza a flotar, la velocidad de la corriente de aire en equilibrio con las fuerzas del producto se conoce como "velocidad terminal" de ese producto. Si la velocidad del aire aumenta o disminuye, el producto tenderá a desplazarse. La aerodinamicidad ya se menciono anteriormente como un factor que influencia la velocidad terminal de la semilla o de cualquier partícula, sin embargo existen otros factores: forma, gravedad especifica, textura superficial, dimensiones de todo el conjunto. en el contexto de las separaciones de las semillas, sin embargo, los factores determinantes son generalmente el peso individual de la semilla en relación con su resistencia al aire. Separación de impurezas por medio del aire: En las máquinas de limpieza, el ventilador aspira el aire, formando una corriente que al pasar por una capa delgada de granos elimina las impurezas más livianas y deja las más pesadas el principio o fenómeno físico de los separadores por aire se ilustra en la figura 2.14 Figura 2.14 Fenómeno físico dentro del Separador neumático. http://www.fao.org/inpho/vlibrary/x0027s/X0027S21.GIF 33 Los separadores por aire se emplean en dos formas distintas y diferentes, estas son: a) Limpieza general: las separadoras por aire se utilizan ampliamente para limpiar las semillas, para retirar el polvo, el material inerte liviano, fracciones de semillas, semillas encogidas e inmaturas y otros materiales contaminadores ligeros. b) Clasificación minuciosa: los separadores por aire se usan para clasificar las semillas por densidad o peso por volumen, se pretende lograr La remoción de las semillas ligeras o dañadas por los insectos, así como también el zacate y granos. Para obtener mejores resultados, las semillas deberían limpiarse totalmente en otras maquinas para lograr las separación final por una corriente de aire. En las separadoras neumáticas el ventilador esta localizado cerca de la toma de aire donde se crea una presión superior a la atmosférica, originando que el aire sea forzado a presión a través de la columna separadora. Funcionamiento y manejo: Las semillas son alimentadas dentro de la columna vertical del aire en movimiento por medio de un alimentador de plano inclinado. Cuando la mezcla de semillas entra en la corriente de aire, las contaminadoras y otras impurezas de velocidad terminal inferior a la del aire (semilla ligera) son levantadas y elevados a través de la columna hacia la parte superior, de donde son desviadas a la salida de la descarga. Las semillas con velocidad terminal superior a la del aire (semilla pesada), caen a través de la columna de aire hasta tocar una fina tela de alambre inclinada diagonalmente en la columna. Estas semillas son entonces desviadas por dicha tela a la salida de descarga de la semilla pesada. En las separadoras neumáticas de una columna, sólo es posible una separación en dos vías: el material ligero del pesado. 34 Para los separadores de aire existen dos variables fundamentales en cuanto a su funcionamiento los cuales son: o Velocidad de alimentación. Es la controlable y determina la capacidad. Debe ajustarse de tal forma que cada semilla reaccione individualmente en base a su propia velocidad terminal; generalmente la velocidad de alimentación debe ser lo mas alta posible sin afectar la eficiencia de la ración. o Volumen de aire (velocidad) El volumen o velocidad de aire soplado a través de la columna separadora se controla ajustando la abertura de la toma de aire. Puesto que la caja de la columna no es elástica mientras mayor sea el volumen de aire que va por dicha columna, mayor será su velocidad. La velocidad del aire deberá ajustarse de manera que se logre la separación deseada. Esto se puede perfeccionar abriendo lentamente la toma de aire y revisando periódicamente la separación hasta obtener los resultados perseguidos. 2.3 ETAPA DE PULIDO. 2.3.1 Pulidor centrifugo. Hoy en día el mercado de los Granos exige una alta calidad en la presentación de los productos, por ello surge la necesidad de esta etapa dentro del proceso de manufactura, por medio de esta etapa se logra que el frijol quede sin polvo y al mismo tiempo con un acabado brillante que permite darle una mejor presentación. Uno de los métodos que se utiliza para el pulido del frijol, es el pulidor centrifugo; ver figura 2.15, este consiste en un cilindro cuya pared interna es de lamina perforada con un eje concéntrico provisto de tiras de cuero y lona que al hacer contacto con el frijol producen fricción que le permite al grano eliminarle el polvo y darle un acabado superficial brilloso. 35 Figura 2.15 Pulidor centrifugo. 2.3.2 Pulidor de Aserrín. Este consiste en un tornillo sin fin que transporta el frijol una distancia determinada y en todo este trayecto se va mezclando con aserrín humedecido con agua y aceite vegetal lo que permitirá pulir el frijol sin causar impacto que pueda dañar el grano cuando lleguen al final del recorrido. Ver figura 2.16. Este método es utilizado en algunas partes del mundo y ha venido a sustituir al pulidor centrífugo pero en El Salvador este tipo de pulidor seria algo innovador y un sistema más eficiente que le permitirá desperdiciar menor cantidad de granos y lograr un mejor acabado superficial en el frijol. INGRESO DE FRIJOL EJE LONA Y CUERO POLEA 36 Figura 2.16 Pulidor de aserrín Entrada de frijol y aserrín Salida de frijol pulido y el aserrín 37 CAPITULO 3 “INVESTIGACION DE CAMPO” 3.1 FORMULACION DE LAS ENCUESTAS. 3.2 DETERMINACION DE LAS VARIABLES GENERALES E INDICADORES. 3.3 FORMATO DE ENCUESTAS. 3.4 TABULACION E INTERPRETACION DE DATOS. 38 3.0 INVESTIGACION DE CAMPO. Para diseñar una maquina para limpieza, clasificación y pulido es necesario conocer las cantidades de frijol demandadas por los consumidores. Para ello se ejecutara una investigación que permitirá identificar los intereses y necesidades de los comerciantes y así poder determinar la capacidad de producción de la máquina y que porcentaje de la población estará dispuesta a adquirirla. 3.1 FORMULACION DE LAS ENCUESTAS. OBJETIVOS: GENERAL: Determinar en base a la opinión de los distribuidores de granos a nivel de la micro y pequeña empresa la capacidad de procesamiento que debe de poseer la máquina. ESPECÍFICOS:  Conocer la cantidad de frijol demandado diariamente por los consumidores.  Determinar el costo por procesar un quintal de frijol por medio de un máquina simple a nivel de la micro y pequeña empresa.  Identificar las condiciones iniciales del frijol, si se adquiere limpio o sucio y cual es su precio respectivamente.  Conocer el interés que presentan las ventas de granos en adquirir una máquina que les procese el frijol, y de que capacidad la prefirieran. HIPÓTESIS. GENERAL. La capacidad de procesamiento de la máquina debe ir acorde a la demanda de frijol de los consumidores. 39 ESPECIFICA.  La capacidad de procesamiento de la máquina se encuentra en un rango de 25 a 50 quintales por hora.  Existe interés de los distribuidores en las ventas de granos en adquirir la maquinaria NULA.  La capacidad de procesamiento de la máquina no se encuentra en un rango de 25 a 50 quintales por hora.  No existe interés de los distribuidores en las ventas de granos de adquirir la maquinaria. Los elementos que forman parte de la metodología que se empleara son:  Definición del tipo de estudio.  Determinación del universo y la muestra de estudio.  Diseño muestral  Elección de técnicas e instrumentos de recolección de datos.  Análisis de datos. Estudio exploratorio: El tipo de estudio que se utilizo es el exploratorio ya que tiene por objeto esencial familiarizarnos con un tópico desconocido, poco estudiado o novedoso. 40 Determinación del universo y la muestra de estudio: La población o universo son los distribuidores de granos registrados en la dirección general de estadísticas y censos (DYGESTIC) y las ventas de granos de la zona central de San Salvador. (46 empresas). Cuando se determina el tamaño de la muestra de una población están involucrados diversos factores entre ellos se encuentran:  Variabilidad del indicador.  Nivel de confianza. En las ciencias del comportamiento se utiliza, en la mayoría de las veces, un nivel de confianza de 95%. Para efectos de cálculo, el nivel de confianza se expresa en términos de Z.  El error tolerable (LE), que es un margen expresado en puntos absolutos o porcentuales, dentro del cual debe ubicarse la verdadera respuesta. Los tratadistas afirman que el error máximo tolerable sea de 5 %.  Por ultimo, debe señalarse el factor población, si la magnitud N es conocida. En términos generales, se piensa que una población de gran magnitud, demandará una muestra grande en tamaño; sin embargo, eso no es concluyente, ya que la mayor incidencia lo tiene el factor de variabilidad. Una fórmula muy utilizada para un tamaño de población finita en la determinación de la muestra (n) es la que se refiere a la proporción de éxito p su expresión es: n = )1())(1( )1( 22 2 PPZLEN PPNZ   Donde n: la muestra. N: Tamaño de la población. P = 0.5 (Si es desconocido). Probabilidad del éxito. q = Probabilidad de falla q = (1 - P) LE = Error máximo tolerable. Z = 1.96 Valor correspondiente a la distribución de Gauss 41 Determinación de la muestra. Nuestra población o universo es de 46 empresas. A partir de esta población se determinara la muestra. Considerando un porcentaje de error LE = 5 % por ser una población homogénea y relativamente pequeña. Se tiene: n = )5.01)(5.0(96.1)05.0)(146( )5.01(5.0)96.1(46 22 2   = 41.17 Diseño muestral: El diseño muestral es un plan que especifica como se seleccionará la muestra que se ha de extraer en una población objetivo. La metodología que utilizaremos será el muestreo aleatorio, los elementos de la muestra son seleccionados siguiendo un procedimiento que brinde a cada uno de los elementos de la población una probabilidad de ser incluido. Dentro del muestreo aleatorio se utilizó el muestreo sistemático, que permite determinar cuantas y cuales empresas se van a evaluar. La ventaja de este método es que es de fácil aplicación y no es necesario tener un listado de toda la población existente. En nuestro caso al haber obtenido el valor de la muestra de 41, por medio del sistema aleatorio sistemático determinamos cuales del total de la población se seleccionan para ser encuestadas. 42 Elección de técnicas e instrumentos de recolección de datos: La técnica que se utilizó para la recolección de datos fueron las encuestas, ya que es una técnica de investigación que permite al investigador conocer la información de un hecho a través de las opiniones que reflejan ciertas maneras y formas de asimilar y comprender lo hecho. Análisis de datos: Permitirán dar a conocer los resultados de las variables que se han evaluado en todo el estudio y poder concluir de todo el estudio que se ha realizado. 3.3 DETERMINACION DE LAS VARIABLES GENERALES E INDICADORES Variable General Dimensiones Indicadores Demanda de Frijol Costo Económico Costo de procesamiento. Costo de la materia prima. Mercado Volumen de ventas. Capacidad de procesamiento requerido. Calidad del grano procesado. Interés de adquisición de la maquina. 43 3.4 FORMATO DE LAS ENCUESTAS UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA ENCUESTA DIRIGIDA A LAS VENTAS DE GRANOS PRESENTACION: Las preguntas que se muestran a continuación han sido elaboradas con el objetivo de determinar la capacidad de una maquina procesadora de frijol de acuerdo a las necesidades de la micro y pequeña empresa (MYPE). INDICACIONES: Encierre en un circulo la respuesta que considere pertinente; en algunos casos complemente o explique. Nombre del negocio encuestado:______________________________ Dirección:________________________________________________ 1. ¿En que condiciones adquiere el frijol? A) Con impurezas B) Limpio C) Clasificado D) Pulido 2. ¿De donde procede el frijol que compra? A) Extranjero__________________________________ B) Nacional____________________________________ 3. ¿A que precio compra el quintal de frijol? A) Limpio $_________________ B) Sucio $_________________ 44 4. ¿Cuanto paga por procesar un quintal de frijol? A) $ 0.23 - 0.34 B) $ 0.46 - 0.92 C) $ 0.93 – 1.71 D) $ 1.72 – 2.86 5. ¿Cuantos quintales de frijol aproximadamente vende diariamente? C) 50-100 qq D) 100-150 qq E) 150-200 qq F) 200-250 qq G) 250-400 qq 6. ¿De que capacidad de procesamiento preferiría la máquina? A) 15-25 qq B) 25-50 qq C) 50-75 qq D) 75-100 qq E) 100-150 qq 7. ¿Estaría interesado en adquirir un maquina que le procese el frijol? Si____ NO____ Porque___________________________ 45 3.5 TABULACION E INTERPRETACION DE DATOS. Pregunta No. 1: ¿En que condiciones adquiere el frijol? Análisis: El frijol en su totalidad lo adquieren con impurezas. Respuestas % A. Con Impurezas 100 B. Ya procesado 0 TOTAL 100 En que condicones adquiere el frijol: 100% 0% A. Con Impuresas B. Ya procesado 46 Pregunta No. 2 ¿De donde procede el frijol que compra? Análisis: La mayor parte de frijol que se procesa en las ventas de granos proviene del interior del país. Respuestas % A. Extranjero 40 B. Nacional 60 TOTAL 100 De donde procede el frijol que compra? 40% 60% A. Extranjero B. Nacional 47 Pregunta No. 3 ¿A que precio compra el quintal de frijol? A que precio compra el qq de producto 76% 24% A. $ 20 - 23 B. $ 23 - 26 Análisis: El precio al que compran el frijol las ventas de granos en su mayoría oscila entre los 20 y 23 dólares por quintal. Respuestas % A. $ 20 - 23 73 B. $ 23 - 26 27 TOTAL 100 48 Pregunta No. 4 ¿Cuánto paga por procesar un quintal de frijol? Análisis: A partir de los resultados obtenidos se observa que la mayor parte de las ventas de granos pagan de 0.46 a 0.69 dólares por limpiar y pulir un quintal de frijol utilizando maquinas simples que no ofrecen una buena calidad. Cuanto paga por procesar un quintal de frijol 33% 53% 0% 14% A) 0.23 - 0.34 $ B) 0.46 - 0.68 $ C) 0.8 - 1.71 $ D) 1.82 - 2.86 $ Respuestas % A. $ 0.23 - 0.34 33 B. $ 0.46 - 0.92 53 C. $ 0.93 - 1.71 0 D. $ 1.72 - 2.86 14 TOTAL 100 49 Pregunta No. 5 ¿Cuántos quintales de frijol aproximadamente vende diariamente? Análisis: La mayoría de los puestos vende entre 150 y 200 quintales diarios. Respuestas % A. 50 - 100 5 B. 100 - 150 18 C. 150 - 200 55 D. 200 - 250 22 E. 250 - 400 0 TOTAL 100 Cuanto quintales vende diariamente? 5% 18% 55% 22% 0% A. 50 - 100 B. 100 - 150 C. 150 - 200 D. 200 - 250 E. 250 - 400 50 Pregunta No. 6 ¿De que capacidad de procesamiento preferiría la máquina? Análisis: La capacidad de maquina que se ajusta a la mayor parte de encuestados es en primer lugar de 25 a 50 qq / hora, pero existe un porcentaje significativo que necesitan una maquina que procese de 50 a 75 qq / h Respuestas % A. 15 - 25 qq / hora 20 B. 25 - 50 qq / hora 47 C. 50 - 75 qq / hora 33 D. 75 - 100 qq / hora 0 E. 100 - 150 qq / hora 0 TOTAL 100 ¿De que capacidad de procesamiento preferiria la maquina.? 20% 47% 33% 0% 0% A. 15 - 25 qq / hora B. 25 - 50 qq / hora C. 50 - 75 qq / hora D. 75 - 100 qq / hora E. 100 - 150 qq / hora 51 Pregunta No. 7 ¿Estaría interesado en adquirir una maquina que le procese el frijol? Análisis: La totalidad de las ventas de granos encuestadas muestran interés en adquirir la maquinaria. Respuestas % A. SI 100 B. NO 0 TOTAL 100 Esta dispuesto a adquirir la maquina 100% 0% A. SI B. NO 52 INTERPRETACION DE DATOS. Al obtener los resultados de los indicadores en la investigación se logro conocer la necesidad que tienen las ventas de granos de poseer una máquina y al mismo tiempo se determino la capacidad de procesamiento que debe poseer la máquina para poder cubrir la demanda del mercado. El indicador de la capacidad de procesamiento de la maquina refleja que al 47% le seria útil una máquina que procese de 25 a 50 qq/h pero también se ve que un 33% aceptan una máquina que procese de 50 a 75 qq/h, por ser un porcentaje significativo y tomando en cuenta que las personas que están en el rango de 25 a 50 pueden llegar a ampliar sus ventas se asumirá que la capacidad adecuada de procesamiento de la máquina para la micro y pequeña empresa será de 50 a 75 qq/h. En cuanto a las hipótesis planteadas según los resultados obtenidos estas se aprueban. En la primera hipótesis específica que habla de la capacidad de procesamiento de la máquina de 25-50 qq/h se observa que la mayoría coincidieron en este resultado, pero aquí se considero un margen para aquellas que puedan crecer. En la segunda hipótesis especifica que hablaba del interés de adquirir la maquina, también, se cumplió, con lo que se puede concluir que se dio respuesta a la pregunta básica de la investigación, dicha información muestra la opinión de las ventas de granos en cuanto a la capacidad de procesamiento que es en si el objetivo de la investigación. 53 CAPITULO 4 “PROPUESTA DE DISEÑO” 4.1 CUADROS COMPARATIVOS ENTRE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA 4.1.1 Criterios para determinar los metodos de procesamiento del frijol. 4.2 METODOS A UTILIZAR PARA PROCESAR EL FRIJOL. 4.2.1 Etapa de limpieza 4.2.2 Etapa de clasificacion 4.2.3 Etapa de pulido 54 4.0 PROPUESTA DE DISEÑO Considerando las propiedades fisicas del frijol y las condiciones ambientales de temperatura y humedad con que debe manejarse el grano despues de su extracción de la vaina, los diferentes métodos de limpieza, clasificación y pulido y las cantidades que satisfacen la demanda de los distribuidores, se diseñará una máquina con una capacidad de procesamiento de 50 – 75 qq / hora. 4.1 CUADROS COMPARATIVOS ENTRE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA Las siguientes tablas muestran una comparación entre los diversos métodos de limpieza, clasificación y pulido que existen en la actualidad procesar el frijol. CARACTERISTICAS METODOS DE LIMPIEZA ZARANDAS ROTATIVAS ZARANDAS PLANAS CON AIRE FORZADO. FACIL CONSTRUCCION 2 1 MENOR COSTO 1 2 MENOR CONSUMO DE POTENCIA 1 2 FACILIDAD DE MANTTO. 2 1 CALIDAD DE LIMPIEZA 2 1 MAYOR VELOCIDAD DE LIMPIEZA 2 1 MENORES PERDIDAS POR MALTRATO DEL GRANO 1 1 MENOR CONTAMINACION 2 1 1 Mejor Opción 2 2 a Opción 3 3ª Opción 55 CARACTERISTICAS METODOS DE CLASIFICACION MESA DENSIMETRICA ASPIRADORA FRACCIONARIA SEPARADOR NEUMATICO FACIL CONSTRUCCION 3 2 1 MENOR COSTO 3 2 1 MENOR CONSUMO DE POTENCIA 3 2 1 FACILIDAD DE MANTTO. 3 2 1 CALIDAD DE CLASIFICACION 1 2 2 MAYOR VELOCIDAD DE CLASIFICACION 1 2 2 MENORES PERDIDAS POR MALTRATO DEL GRANO 1 2 2 CARACTERISTICAS METODOS DE PULIDO PULIDOR CENTRIFUGO PULIDOR DE ASERRIN FACIL CONSTRUCCION 1 2 MENOR COSTO 1 2 MENOR CONSUMO DE POTENCIA 1 2 FACILIDAD DE MANTTO. 2 1 CALIDAD DE PULIDO 2 1 MAYOR VELOCIDAD DE LIMPIEZA 2 1 MENORES PERDIDAS POR MALTRATO DEL GRANO 2 1 MENOR CONTAMINACION 2 1 56 4.1.1 Criterios para determinar los métodos de procesamiento del frijol. Etapa de Limpieza: En la etapa de limpieza se obviaron todos aquellos métodos artesanales debido a que el diseño que se propone será mecanizado, por lo tanto solo se evaluaron los métodos de limpieza de zaranda plana con aire forzado y zaranda cilíndrica rotativa. Una vez analizados los métodos anteriores se concluyo que el método más adecuado es el de zaranda plana con aire forzado por las ventajas que presenta entre ellas podemos mencionar:  Facilidad de mantenimiento.  Fácil construcción.  Calidad en la limpieza.  Mayor velocidad en la limpieza.  Menor cantidad de grano dañado.  Menor contaminación. Etapa de Clasificación: En la etapa de clasificación después de analizar los diferentes métodos expuestos se concluyo que la mejor opción para clasificar el grano es el separador neumático esto de acuerdo a las ventajas que presenta entre las que se pueden mencionar:  Fácil construcción.  Menor costo  Menor consumo de potencia.  Mayor facilidad en el mantenimiento. 57 Etapa de Pulido: Una vez realizado el análisis de los diferentes métodos de pulido se opto por el pulidor de aserrín debido a las ventajas que este método presenta entre las que se pueden mencionar:  Menor contaminación ambiental ya que el frijol es pulido por medio de aceite vegetal y aserrín, el cual circula en una trayectoria cerrada y de una manera cíclica lo que permite estar ocupando el mismo aserrín por un tiempo prolongado.  Menor cantidad de grano dañado debido a la velocidad a la cual se realiza el pulido, y el poco o nulo impacto existente entre el grano y la carcaza de la máquina.  La calidad del pulido ya que le da al grano un acabado superficial brillante debido al aceite y al mismo tiempo esta película de aceite le sirve para proteger mejor al grano 4.2 METODOS A UTILIZAR PARA PROCESAR EL FRIJOL 4.2.1 Etapa de Limpieza: La limpieza en el diseño será por medio de zarandas planas y un ventilador centrifugo conectado a una campana que se encargará de captar en su interior toda la masa de aire contaminado como polvo y material inerte. La combinación de zarandas planas y ventiladores centrífugos constituyen el sistema más eficiente para la limpieza de los granos. Ver Fig. 4.1 58 Las zarandas estarán constituidas por un depósito o alimentador, un sistema de aspiración de polvo (que se encuentra sobre los tamices) un conjunto de zarandas intercambiables y un dispositivo para producir la vibración u oscilación del conjunto de zarandas. Partes que componen al equipo de limpieza: El conocimiento de las partes que constituyen las máquinas de aire y zarandas es importante para obtener un buen rendimiento. En general, las máquinas para la limpieza de granos por medio de aire y zarandas planas están constituidas básicamente por:  Un alimentador  Un sistema de ventilación  Un conjunto de zarandas. 59 El alimentador. Los alimentadores de las máquinas de limpieza tienen la finalidad de regular el flujo del producto que entra a la máquina y distribuirlo uniformemente sobre la zaranda. Los alimentadores están compuestos generalmente por un depósito o caja que recibe el material, un registro para regular el flujo de los granos que hace que los granos caigan sobre la malla o zaranda. El sistema de ventilación: El sistema de ventilación es responsable de la eliminación de las impurezas livianas presentes en los productos y ésta se realiza por la acción del aire que se genera sobre la zaranda. Los sistemas de ventilación están formados básicamente por: a) Un ventilador centrifugo. b) Una campana. c) El ducto de succión de impurezas. d) Ciclón. a) El ventilador centrifugo. Se utiliza para producir un flujo de aire en el interior de la campana que aspira las impurezas livianas del producto; este succiona el polvo y material inerte con lo que se evita la contaminación ambiental causada por el equipo. Las impurezas más pesadas son eliminadas por los cernidores o zarandas. En la entrada del ventilador se encuentra el registro de aire, que permite regularle la velocidad; éste debe ser suficiente para extraer únicamente las impurezas más livianas evitando la succión de los granos b) Campana: Se utiliza para captar la mayor parte de impurezas volátiles generadas al transportar el grano a través de la zaranda. 60 c) El ducto de succión de impurezas: Es el encargado de transportar todas aquellas impurezas captadas de la campana de extracción hasta la entrada del ventilador. d) Ciclón: Se utiliza para separar el polvo del aire proveniente de la salida del ventilador logrando así acumular el polvo en un deposito cerrado para su posterior eliminación. Mecanismos a utilizar: Zaranda de orificios oblongos. Las zarandas de orificios oblongos generalmente se utilizan en la separación de materiales en los que predomina la forma alargada y en este caso por tratarse de frijol es la más adecuada Las zarandas de orificios oblongos se especifican tomando la dimensión del ancho y la dimensión del largo del orificio. Las zarandas o cernidores de orificios oblongos generalmente se instalan con el eje mayor del orificio en la dirección del movimiento de los granos, ya que de esta forma se facilita la separación. El sistema de vibración. El sistema de vibración se utiliza para hacer oscilar las zarandas, con lo que el producto se pone en contacto con los orificios, se facilita la separación y se propicia un deslizamiento del producto sobre las zarandas. El sistema de vibración debe permitir movimientos oscilantes de tal manera que la masa de granos, penetre en los cernidores. Fig 4.2 61 Limpiador de zarandas. La separación de los granos en la zaranda se realizará por medio de bolas de goma o hule, estos constituyen uno de los dispositivos más utilizados, debido a su bajo costo y buen desempeño y a que no exigen gran mantenimiento. Las bolas de goma se colocan, en número que varía de 3 a 5 en los compartimientos debajo de las zarandas, de forma tal que al moverse golpean contra la superficie inferior como consecuencia de la vibración de las zarandas figura 4.3. Fig 4.2. Movimiento de los granos por medio del sistema de vibración Fig 4.3 Limpiador de zarandas por medio de bolas de hule 62 4.2.2 Etapa de Clasificación: Se realizara por medio de separadores de aire, las cuales estarán diseñadas para efectuar la clasificación en base a la diferencia de peso especifico entre el frijol y las impurezas indeseables. Separación de impurezas por medio del aire. En las máquinas de limpieza, el ventilador aspira el aire, formando una corriente que al pasar por una capa delgada de granos elimina las impurezas más livianas y deja las más pesadas. El principio o fenómeno físico de los separadores por aire se ilustra en la figura 4.4. En el diseño se utilizará un separador densimétrico o también llamando separador neumático, como el que se ilustra en la figura 4.5. Fig 4.4. Fenómeno físico de los separadores de aire http://www.fao.org/inpho/vlibrary/x0027s/X0027S21.GIF 63 Descripción del funcionamiento: Las semillas serán alimentadas dentro de la columna vertical del aire en movimiento. Cuando la mezcla de frijol entre en la corriente de aire, las impurezas de velocidad terminal inferior a la del aire (semilla ligera) serán levantadas y llevadas a una salida de impurezas, Las semillas con velocidad terminal superior a la del aire (semilla pesada), caen a través de la columna de aire hasta tocar una fina maya de alambre inclinada diagonalmente en la columna. Estas semillas son desviadas por dicha maya a la salida de descarga de la semilla pesada. Las variables de este separador serán: o Velocidad de alimentación del grano: Esta determina la capacidad de procesamiento. o Volumen de aire (velocidad) Se controla ajustando la abertura de la toma del aire. Fig 4.5 Separador Neumático 64 La velocidad del aire deberá ajustarse de manera que se logre la separación deseada. Esto se puede realizar abriendo lentamente la toma del aire y revisando la separación hasta obtener los resultados perseguidos. 4.2.3 Etapa de Pulido Hoy en día el mercado de los Granos exige una alta calidad en la presentación de los productos, es por ello que surge la necesidad de incorporar un equipo de pulido dentro del Proceso. Esta etapa es la última dentro de todo el proceso y tiene como objetivo lograr que el frijol tenga un acabado superficial brillante, dándole así una mejor presentación. El pulido del frijol en nuestro diseño se realizara utilizan el proceso de pulido con aserrín, el cual funcionara mediante la combinación de varios mecanismos, entre los que se encuentran: o Elevador de canjilones. o zaranda clasificadora. o Tornillos sin fin. Funcionamiento y Manejo: El elevador será el encargado de transportar el frijol y aserrín a cada uno de los dos tornillos sin fin que están ubicados uno al lado del otro, estos transportaran el frijol una distancia determinada y en todo este trayecto se irán mezclando con aserrín humedecido con aceite vegetal lo que permitirá pulir el frijol sin causar impacto que pueda dañar el grano, cuando lleguen al final del recorrido saldrá tanto el frijol como el aserrín, estos caerán en una zaranda que tendrá un movimiento alternativo que permitirá que solo el aserrín atraviese la malla y el frijol se desplace hasta el final de 65 la zaranda para su posterior empacado. El aserrín es de nuevo tomado por el elevador y estará pasando por los tornillos sin fin de una manera cíclica. El funcionamiento y manejo de la etapa de pulido esta representado en las figuras 4.6, 4.7 y 4.8 MECANISMO ENCARGADO DE PULIR EL GRANO. Fig. 4.7 Fig. 4.7 Pulidor de Aserrin Elevador encargado de transportar el frijol y aserrín, hasta la entrada de los gusanos o tornillos sin fin, Ver figura 4.6. Fig 4.6 Elevador de frijol 66 El mecanismo encargado de separar el frijol del aserrín se detalla a continuación en la figura 4.8 Fig. 4.8 Zarandas Excéntrica Figura 4.8 mecanisno para separar el frijol del aserrin 67 CAPITULO 5 “DISEÑO DE LOS ELEMENTOS MECANICOS A UTILIZAR” 5.1 ELEVADOR DE CANJILONES 5.1.1 Análisis de descarga de los canjilones 5.1.2 Velocidad del elevador de canjilones 5.1.3 Transmisión del elevador 5.1.4 Determiacion de la capacidad del elevador 5.1.5 Determinacion de la potencia del elevador 5.1.6 Determinación de la cadena a utilizar 5.1.7 Diseño del eje #1 del elevador 5.1.8 Diseño del eje #2 del elevador 5.1.9 Selección de cojinetes 5.1.10 Selección del motor electrico 5.1.11 Determinación de la banda a utilizar 5.2 ZARANDA LIMPIADORA 5.2.1 Transmisión de la zaranda 5.2.2 Diseño de eje de zaranda 5.2.3 Selección de cojinetes 5.2.4 Selección de motor electrico 5.2.5 Determinación de la banda a utilizar 5.2.6 Selección de ventilador de campana de extraccion. 5.3 SEPARADOR NEUMATICO 5.3.1 Selección de Ventilador 5.4 ELEVADOR DE CANJILONES 5.5 TRANSPORTADOR DE TORNILLOS 5.5.1 Potencia Requerida 5.5.2 Selección de cadenas. 5.5.3 Diseño de Eje 2 de Tornillo sinfín. 5.5.4 Selección de cojinetes 5.5.5 Selección de motoreductor 5.6 ZARANDA SEPARADORA. 68 5.7 ANALISIS DE LA ESTRUCTURA 5.7.1 Análisis de la viga #1 5.7.2 Análisis de la viga posterior #2 5.7.3 Análisis de las columnas 5.7.4 Análisis de la soldadura en las mensulas. 5.7.5 Análisis de la soldadura de la viga posterior #2. 5.7.6 Sujeccion de la maquina al suelo. 69 5.0 DISEÑO DE LA MAQUINA ETAPA DE LIMPIEZA 5.1 ELEVADOR DE CANJILONES Los elevadores que se utilizarán en el diseño serán los elevadores de canjilones de descarga centrífuga, ya que estos se adaptan en particular al manejo de granos. La longitud de los elevadores esta limitada por la resistencia de las cadenas o de las bandas. Pueden armarse en varias secciones hasta de 30m de longitud, aunque en promedio miden de 7.6 a 23m. 5.1.1 Análisis de descarga de los canjilones. El siguiente cuadro sinóptico indica la clasificación de los elevadores con relación a la forma de la descarga. Descarga por gravedad: a) De descarga periférica (Canjilones espaciados). b) De descarga Central. Descarga centrífuga: c) De descarga periférica. (Canjilones continuos) d) Descarga periférica (Canjilones espaciados). a b c d Fig. 5.1 Tipos de elevadores de canjilones. 70 Seguidamente se describe la descarga del material. Para ello, se considera la figura 5.2 en el cual se han dibujado diversos canjilones, en el numero 1 sólo actúa el peso del material P contenido en el mismo. En los números 2,3 y 4 actúa además la fuerza centrífuga Fc dirigida en sentido radial, la cual al componerse con P, dará una resultante R que será función del ángulo que define la posición del mismo. Para estudio de la descarga interesa considerar sólo los canjilones 3 y 4. En el número 3, situado sobre la vertical la resultante coincidirá con dicha vertical. El caso limite, en el cual los materiales sueltos tales como cereales, harina y otros, comiencen a fluir, se verifica cuando FcP  tal como se ve en el canjilon #3. Fig 5.2 (Descarga del material). Analizando la magnitud de las fuerzas en el canjilon #3. cFP  Donde: P : Peso del canjilon. cF : Fuerza centrifuga dirigida en sentido radial. Fig 5.2 Descarga del material. Fc 71 Peso del canjilon = Fuerza centrifuga. P = Fc Fuerza centrifuga = masa x aceleración centrifuga. Fc = mac (Ecuación 1). y, ac = 2 2 D v t (Ecuación 2). Donde: ac = Aceleración centrifuga. tv Velocidad tangencial. D Diámetro de la polea del elevador. Conociendo que masa = gravedad peso por lo tanto. m = g P . (Ecuación 3) Donde: P = peso. g = Gravedad (m/s2). m= masa. Sustituyendo la ecuación 2 y 3 en la ecuación 1. 2 2 D v g P F t c  Como: cFP  2 2 D v g P P t 72 Simplificando la expresión anterior se obtiene: 2 2 tvgD  Despejando 2.tv 2 2 gD vt  (Ecuación 4) Donde: 60 Dn vt   (Ecuación 5) Sustituyendo la ecuación 5 en la ecuación 4. 2 222 2 60 Dn vt   = 2 gD 2602 222 gDnD   Despejando n. DD g n 29.42 2 60   (Ecuación 6) Sustituyendo la ecuación 6 en la ecuación 5 se obtiene: )/(25.2 29.42 60 smD D D vt   )/(25.2 smDvt  (Ecuación 7) Esta relación que liga el número de rpm con el diámetro D expresado en metros y marca el límite aproximado entre la descarga centrífuga y la descarga por gravedad. 73 5.1.2 Velocidad del elevador de canjilones Para determinar la velocidad a la cual tiene que estar la banda donde están sujetos los cangilones se utiliza la ecuación 7. vt 2.25 )/( smD . Donde D = diámetro de la polea interna del elevador = 0.53 m* 53.0_25.2Vt = 1.63 m/s Esta es la velocidad mínima que se puede utilizar; por lo tanto, se asignara una velocidad de 2 m/s; la cual permite calcular la cantidad de quintales por hora que será capaz de transportar el elevador. Ahora se necesita calcular las rpm en la polea interna del elevador. Se sabe que Dnvt  . Donde: tv 2 m/s D = 0.53 n = ??? n = 722.1 53.0. 2  seg rev D vt  rpm. Se tiene que calcular una transmisión la cual sea capaz de reducir la velocidad del motor a una velocidad de 72 rpm en el eje de la polea interna del elevador, asegurándose así que exista una descarga centrifuga del material a transportar. Esto se lograra mediante la combinación de poleas y piñones de cadena. Fig. 5.3 * Tesis de Diseño de planta procesadora de harina de arroz, UDB. 1999. Nelson Armando Salazar. Anexos Tabla A20. 74 5.1.3 Transmisión del Elevador: Definiendo datos: n1 = 1750 rpm Velocidad del motor d1 = 0.1016 m Polea del motor. d2 = 0.455 m Polea eje 2 Z3=11 dientes Rueda dentada eje 2. Z4= 60 dientes Rueda dentada eje 1 n2 = rpm del eje 2. n3 = rpm del eje 1. n1 x d1 = n2 x d2 1750 x 10.16 = n2 x 45.5 n2 = 76.390 5.45 16.101750  x rpm (velocidad en el eje 2) Motor Z4=60 Poleas Piñones Rodamientos Z3=11 POLEA DE CANJILONES d2 =0.455 m d1=0.1016 m Fig. 5.3 Transmisión para el elevador. EJE 1 EJE 2 75 n2 x Z3 = n3 x z4 390.76 x 11 = n3 x 60 n3 = 60.71 60 1176.390  x rpm (velocidad en el eje 1) Con esa velocidad angular y una polea de 0.53 m, aseguramos una velocidad lineal de 2 m/s para que exista una descarga centrifuga. 5.1.4 Determinación de la capacidad del elevador. Dimensiones del Canjilon: Las dimensiones del canjilon que se detallan en la figura 5.4, permiten alojar en su interior un volumen de 0.25 lt. Un aspecto importante es la sujeción de los canjilones sobre la banda de goma por lo general, el método más eficaz es a través de sujeción con tornillos como se muestra en la figura 5.6. Fig 5.4 Dimensiones del canjilon. 76 La fijación de los canjilones en la banda se hará mediante una sola fila de tornillos como se ve en la figura 5.7 La capacidad en Tn/ hora, viene dada por la expresión. Q = 3.6 (c/d)    . (Ecuación 8) * c = Capacidad de un cangilón en litros. d = Distancia entre cangilones en mts.  = Velocidad de la faja en mts/seg.  = Densidad aparente del material Tn/ m3  = factor de llenado [para granos  0.75]. * Tesis de Diseño de planta procesadora de arroz, UDB 1999. Nelson Armando Torres. Fig. 5.6 Fijación mediante una sola fila de tornillos. Fig. 5.5 Fijación del canjilon sobre banda mediante tornillos Tornillo Canjilon Banda Banda Tornillos 77 Sustituyendo: Q = 3.6 (c/d)   . c = 0.25 litros. (Volumen en el canjilon) d = 0.25 m. (4 canjilones por metro)  = 2 m/s.  = 0.7 Tn/m3.  = 0.75 75.07.02 25.0 25.0 6.3 xxxQ  = 3.78 Tn/h. lb qq x tn lb x h tn Q 100 12000 78.3 = 75.6 qq /h. La capacidad máxima (ideal) del elevador es de 75.6 qq/h. 5.1.5 Determinación de la potencia de la carga: El peso del canjilon = 2.22 N Volumen de cada canjilon = 300025.0 m Peso fríjol = δ frijol x volumen. = kg N x Tn Kg x m x m Tn 1 81.9 1 1000 1 00025. 7.0 3 3 = 1.71 N Peso del canjilon + Peso del frijol = 2.22 N + 1.71 N = 3.93 N Cada canjilón solo pesa 2.22 N sin carga y con carga de frijol 3.93 N, estos valores fueron medidos experimentalmente, por el hecho de llevar 4 canjilones por metro y una altura total del elevador de 2.5 metros, el lado izquierdo soporta un peso de 37.81 N que seria el lado tenso que es el que lleva la carga ; y en el lado flojo solo soporta el peso del canjilón vació de 22.2 N 78 Potencia en toda la transmisión: Pot = T 60 2 n   ; donde n : rpm en eje 1 = 71.6 60 6.712   = 7.28 rad/s Pot = T = 4.12 x 7.28 = 30 watts = 0.040hp 5.1.6 Determinación de la Cadena a utilizar. Partiendo de un factor de servicio para choque mediano de 1.4 (1) Potencia de diseño = 0.040 (1.4) = 0.056 hp De tabla (2) para la rueda dentada mas pequeña de 11 dientes K1 = 0.53. De tabla (3) para un torón K2 = 1.0 De tabla (4) Para una velocidad de 390.76 rpm en el eje 2 (ver Fig. 5.3) (1) Factor de servicio sugerido Ks. Diseño en Ing. Mec. Shigley. Tabla 17-11 Pag. 764. Anexos Tabla A8 (2) Factor de corrección por dientes. Diseño en Ing. Mec. Shigley. Tabla 17-16 Pag. 773. Anexos Tabla A11 (3) Factor K2 para torones múltiples. Diseño de Ing. Mec. Shigley. Tabla 17-17 Pag. 774. Anexos Tabla A12 (4) Capacidad de potencia en HP. Diseño de Ing. Mec. Shigley. Tabla 17-14 Pag. 771. Anexos Tabla A10 22.24 N Sentido de giro 37.81 N 1F = 37.81 N 2F = 22.24 N 21 FFFn  = 37.81 – 22.24 = 15.6 N          2 21 D FFTorque = 12.4 2 53.0 )6.15(  N - m 79 Interpolando para cadena paso 40: Velocidad Potencia 300 1.85 390.76 X 400 2.40 Potencia corregida = H` = k1.k2.X = 0.53x1x2.35 = 1.24 hp Comparando este valor de potencia que resiste la cadena (1.24 hp) con el de potencia de diseño que necesitamos (0.056 hp) nos damos cuenta que: 1.24 > 0.056 Por lo tanto es satisfactorio este número de cadena 40-1 (Paso 40 con un torón) Teniendo una distancia entre centros de 0.5m entre la rueda dentada de 60 dientes y la de 11 dientes, se calcula la longitud total de la cadena con la siguiente formula:         C dd ddCLp ZZ ZZ 4 )(57.12 1160 6011 C Distancia entre centros. 60Zd Diámetro rueda mayor Z60 11Zd Diámetro rueda menor z11 Se calcula el diámetro para las ruedas dentadas: Rueda de 11 dientes P40 (paso 12.7mm) msensenPdZ 045.0)11/180(/7.12)11/180(/11  Rueda de 60 dientes P40 (paso 12.7mm) msensenPdZ 24.0)60/180(/7.12)60/180(/60  X = 2.35 hp 80 Sustituyendo en la ecuación:         )5.0(4 045.024.0 )24.0045.0(57.1)5.0(2Lp mLp 55.1 Numero de pasos = Longitud total de la cadena / paso de la cadena Numero de pasos = 1.55 m / 0.0127 m Numero de pasos = 122 5.1.7 Diseño de eje #1 En la siguiente figura se representa la configuración geométrica del eje. 1 2 3 2 Posición 1: Rueda dentada, soportara la fuerza de la transmisión. Posición 2: Cojinetes. Posición 3: Polea para banda de canjilones, la cual soportara el peso de los canjilones, el frijol y de la polea. Fuerzas en la transmisión: (posición 1) dZ11 / 2 = rZ11 = 0.0225 m dZ60 / 2 = rZ60 = 0.12 m 0.15 m 0.25 m 0.25 m Rueda Z=60 81 La diferencia de los radios de ambas ruedas es: ∆r = rZ60 – rZ11 = 0.12 - 0.0225 m ∆r = 0.0975 m T = F x r Donde: T = Torque en el eje #1 (rueda de 60 dientes) = 4.12 N – m (Ver Sec. 5.1.5) r = radio del rueda Z60 = 0.12 m Por lo tanto R T F  = N33.34 12.0 12.4  Teniendo en cuenta la diferencia de radios entre las ruedas dentadas y descomponiendo la fuerza en dirección normal y tangencial en la rueda Z60. Calculando el Angulo 069.13 5.0 0975.0 tan  FX = F cos  = 34.33 cos 13.69° = 33.35 N FY = F senθ = 34.33 sen 13.69° = 8.14 N F = 34.3 N 0.5 m 0.0975 m F = 34.3 N  C= 0.5m Z = 11 Z = 60 82 Calculo de Pesos: (posición 3) Peso de los canjilones + peso del frijol + peso de la polea. Canjilones + frijol: 37.81 N Canjilones vacios: 22.24 N Polea: Lam. Rolada + Disco Ctral + Buje (Ver Diseño en sec. de inercias) Peso = V  : Peso especifico del acero 0.29 Lb/plg3 = 78751 N/m3 V: Volumen (m3) V = Area x largo  Volumen lamina rolada = 0.0127 x 0.3048 x (0.53) = 6.445 x 10-3 m3 Peso = 78751 N/m3 x 6.445 x 10-3 m3 = 502.6 N  Peso disco central = 78751 x  (0.502 - 0.05082)/4 x 0.0127 = 195.72 N  Peso Buje = 78751 x  (0.05082 – 0.02542)/4 x 0.1016 = 12.14 N Total de pesos: Canjilones mas frijol : 37.81 Canjilones vacios: 22.24 Polea: 502.60 195.72 12.14 Wn = 770.51 N 83 Análisis del plano Y OM a        81.382 5.0 62.19222.1 05.025.051.77015.01.8     b b R R Análisis del plano X OM a      10 5.0 15.03.33 0)5.0(15.03.33   b b R R Fx=33.3 N Ra Rb 0.15 m 0.50 m   0yF Ra – Wn - 8.14 + Rb = 0 Ra = 770.51 + 8.14 - 382.81 Ra = 395.84 N  FY = 0 Ra – Fx – Rb = 0 Ra = 10 + 33.3 = 43.3 N Fy = 8.14 N Ra Wn = 770.51 N Rb 0.15 m 0.25 m 0.25 m N N 84 DIAGRAMA DE MOMENTO EJE 1 2.5 5 -95.70 1.22 5.14 95.70 0.15 m 0.25 m 0.25 m Fx = 33.3 Ra = 43.3 Rb= 10 Fy = 8.14 Wn = 770.51 Ra = 395.84 Rb = 382.81 Plano X Plano Y Rueda Z=60 Momento resultante. 85 DIMENSIONAMIENTO DEL EJE 1. Tomando como material acero AISI 1020 HR Sut = 380 MPa (1) aK a(Sut) b = 4.51(380)-0.265 = 0.93 (Factor de acabado superficial, maquinado) 9244.0 62.7 24.15 62.7 1133.01133.0               d kb (Factor de tamaño a flexion, d =15.24mm) Kf = 1.6 para cuñeros de patin. (Concentrador de Esfuerzos) Sn´ 0.5 (Sut) = 0.5 (380)= 190 MPa (Resistencia a la Fatiga) Sn = Ka kb Sn´ Sn = 0.93 x 0.9244 x 190 = 163.34 MPa. (Resistencia a la fatiga corregida)   Pa DDD M a 333 6.1559 6.1 7.95 32 32                (Esfuerzo Alterno) Pa DDD T m 333 98.20)12.4(1616    (Esfuerzo Medio) Resolviendo en la ecuación de Goodman: nSS ut m n a 1   donde n = 2 Factor de seguridad. 2 1 10380 98.20 103.163 6.1559 3636  DxDx Resolviendo: D = 0.026 m. (1) Propiedades mecánicas de los aceros. Anexos Cuadro A4. 86 5.1.8 Diseño de eje 2 De la figura 5.3, el torque en el eje 1 es 4.12 N – m, por lo tanto las componentes de las fuerzas en la rueda de 11 y 60 dientes son iguales; Fx y Fy en ambas ruedas son de 33.35 N y 8.14 N respectivamente. El torque en el eje 2 = F2 x rZ11 = 34.33 (0.0225) = 0.772 mN  Fuerza en la polea de 0.45m = F = N m mN 4.3 225.0 772.0   Teniendo en cuenta la diferencia de radios entre las poleas y descomponiendo la fuerza en dirección normal y tangencial en la polea 0.45m La diferencia de los radios en ambas poleas es: ∆r = r0.45 – r0.1016 = 0.227 - 0.0508 ∆r = 0.1762 m Calculando el Angulo 041.19 5.0 1791.0 tan  F2x = F cos  = 3.4 cos 19.41° = 3.21 N F2y = F sen θ = 3.4 sen 19.41° = 1.13 N Por lo tanto estas son las fuerzas en la poleas de 0.45 m. D = 0.1016 m D = 0.45m C = 0.5 m 0.5 m 0.1762 m F = 3.4 N  87 DISTRIBUCION DE FUERZAS EN EJE #2 En la siguiente figura se representa la configuración geométrica del eje. ANALISIS PLANO X   0aM bRN RB    7.9 35.0 6.15 0)5.0(21.3)(35.0)15.0(3.33 ANALISIS PLANO Y   0aM NR RB b 08.5 0)5.0(13.135.0)15.0(1.8   0.15 m 0.35 m 0.15 m mmm Fx = 33.3 N Ra Rb F2X = 3.21 N Fy = 8.14 Ra Rb F2X = 1.13 Z =11 Polea. D = 0.45m NR RR a ba 21.46 021.33.33     0YF   0yF NR R a a 05.12 013.108.51.8   88 DIAGRAMA DE MOMENTO EJE 2 FX = 33.3 0.15 m 1.21 0.35m 0.15 m 5 0.5 0.16 5.14 0.52 Ra= 46.21 Rb = 9.7 F2X = 3.21 Fy =8.14 Ra = 12.056 Rb = 5.08 F2Y= 5.08 Plano X Plano Y Piñón Z=11 Polea D = 0.45m Momento Resultante. 89 DIMENSIONAMIENTO DEL EJE 2. Tomando como material acero AISI 1020 HR Sut = 380 MPa (1) aK a(Sut) b = 4.51(380)-0.265 = 0.93 (Factor de acabado superficial, maquinado) 9244.0 62.7 24.15 62.7 1133.01133.0               d kb (Factor de tamaño a flexión, d =15.24mm) Kf = 1.6 para cuñeros de patin. (Concentrador de Esfuerzos) Sn´ 0.5 (Sut) = 0.5 (380)= 190 MPa (Resistencia a la Fatiga) Sn = Ka kb Sn´ Sn = 0.93 x 0.9244 x 190 = 163.34 MPa. (Resistencia a la fatiga corregida) Pa DDD M A 333 76.83)6.1)(14.5( 32 32          Pa DDD T M 333 93.3)772.0(1616    Resolviendo en la ecuación de Goodman: nSut M Sn A 1   donde n = Factor de seguridad. 2 1 10380 93.3 1034.163 76.83 3636  DxDx Resolviendo: D = 0.011 m 90 5.1.9 Selección de cojinetes Calculando las reacciones resultantes en el eje 1.         Nb Na 94.3821081.382Re 39884.3953.43Re 22 22   K Ld FeC /1 610        L10 = se escogió para equipo agrícola que esta entre 4000-8000h se selecciono un valor medio de 6000h k = 3 para cojinetes de bolas. Ld = L10X n X 60 = (6000) x (71.6) (60) = 61007.25 X rev N X C 5.1174 10 107.25 398 3 1 6 6        = (264.04 lbf) 05.254(07.1130 10 7.25 94.382 3 1 6 6        N E C lbf) Calculando las cargas dinámicas podemos seleccionar los cojinetes que soporten la carga a la que están expuestos y que al mismo tiempo cumplan con el diámetro del eje, para estas condiciones satisface utilizar un cojinete (6205). * * Tabla 15-2 Diseño de elementos de Maq. Robert L. Mott 2da Ed. Pag. 611 Anexos Tabla A1. 91 Calculando las reacciones resultantes en el Eje 2     Nb Na 94.1008.57.9Re 75.47)05.12()21.46(Re 22 22   K Ld FeC /1 610        L10 = se escogió para equipo agrícola que esta entre 3000-6000h Ld = L10X n X 60 = (6000) x (390.846 x (60) = 1 6107.140 X rev K = 3 para cojinetes de bolas. )83.55(35.248 1 7.140 75.47 3 1 flbNC        )77.12(8.56 1 7.140 94.10 3 1 flbNC        De la tabla de rodamientos * se escoge un cojinete 6201 que tiene un diámetro de 0.012 m y una resistencia dinamica de 1180 lbf, por lo tanto soporta las cargas antes mencionadas de 55.83 lbf y 12.77 lbf * Tabla 15-2 Diseño de elementos de maq. Robert L. Mott 2da Ed. Pag. 611. Anexos Tabla A1. 92 5.1.10 Selección del Motor Eléctrico. Para la selección del motor eléctrico se utilizara la siguiente ecuación: Torque de Arranque en el Motor T = Torque nominal + Torque inercial. T = T N N N N I N N I N N N N T B m CB m B m C                                                                           2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 1 Donde: Considerando la fig. 5.3 2N = velocidad en el eje 2: 390.87 rpm mN = velocidad del motor: 1750 rpm 1N = velocidad en el eje 1: 71.6 rpm 22.0 1750 84.3902  mN N B = 0.90 (Considerando una eficiencia en la transmisión por banda de 90%) C = 0.97 (Considerando una eficiencia en la transmisión por cadena de 97%) T1 = 4.12 N - m (Torque de la carga en el eje 1) ∆ = 2 n/60 donde n: Velocidad del motor = 1750 rpm ∆= 183.25 ∆t = 2.5 segundos (Tiempo que se tarda el motor en lograr las revoluciones nominales, valor establecido por los fabricantes de motores) Luego se determinan las inercias de los elementos en movimiento que forman los ejes, poleas y ruedas dentadas. 18.0 84.390 6.71 2 1  N N 93 Inercia en el eje #1 I1 = I Z60+ I eje1 + I polea Para la inercia de los elementos cilíndricos se utiliza la formula: g br I 2 4  donde: : peso especifico del material, Acero = 78,751 N/m3 r: Radio del elemento. (m) b: Ancho del elemento. g: Gravedad (m/s2) Inercia para rueda Z = 60: r: 0.12m b: 0.008 m IZ60 = 02092.0 )81.9(2 )008.0()12.0(78751 4   2smN  Inercia para el eje 1. r: 0.0125 m b: 0.65 m  )81.9(2 )65.0()0125.0(78751 4 3.40X10-3 2smN  94 Inercia de la polea. Ip1= )81.9(*2 )78751)(3048.0)(2413.02649.0(* 2 .)..( 4444     g brR = 5.90 2smN  Ip2 = )81.9(2 )78751(0127.0)025.025.0(* 2 .)..( 4444     g brR = 0.6376 2smN  Ip3 = )81.9(2 )78751(1016.0)0127.0025.0(* 2 .)..( 4444     g lrR = 5.00 X10 4 2smN  Itotal = I1 + I2 + I3 = 5.90 + 0.6376 + 5 x10 4 2smN  Ipolea = 6.5381 2smN  Inercia en el eje 1 = IZ60+ I Eje + I volante 0.02092 + 3.40 X10 3 + 6.538 I1 = 6.566 2smN  95 Inercia en el eje 2. I2 = Iz11+I eje2+ I Polea2 Inercia para Z=11 4 4 1078.2 )81.9(2 )008.0()0225.0(78751  X  2lbins 2smN  Inercia para Eje 2 = )81.9(2 )65.0()013.0(78751 4 = 2.13X10 4 2smN  Inercia en la polea 2: Ip1 = )81.9(2 )050.0(78751)21.025.0(* 2 .)..( 4444     g lrR Ip1 = 1.15 2smN  Ip2 = )81.9(2 0127.0*78751)025.021.0(* 2 .)..( 4444     g lrR Ip2 = 0.339 2smN  Ip3 = )81.9(2 )78751)(1016.0)(0127.0025.0(* 2 .)..( 4444     g lrR Ip3 = 4.99 x 10-4 2smN  Ipolea2 = Ip1 + Ip2 + Ip3 1.15 + 0.339 + 4.99 x 10-4 Ipolea2 = 1.489 2smN  I2 = Iz11+I Eje2+ I Polea2 = 2.78 x 10-4 + 2.13 x 10-4 + 1.489 I2 = 1.489 2smN  96 Determinación del torque del motor del elevador: Sustituyendo valores en la ecuación del torque: T =                               5.2 25.183 90.0 22.0 97.0 18.0 566.6 9.0 22.0 489.1 90.0 22.0 97.0 18.0 12.4 222 T = 0.1869 + 6.69 = 6.88 N - m Torque nominal = 0.1869 N – m (0.1378 lb. ft) Torque de arranque = 6.88 N – m (5.07 lb. ft ) Se selecciona un motor de 1 hp jaula de ardilla que posee un torque de arranque de 5.9 lb-ft por lo tanto este motor es el adecuado para mover la carga del elevador y vencer las inercias. (1) 5.1.11 Determinación de la banda a utilizar. Dado que la transmisión a utilizar por medio de banda será la del motor hacia el eje intermedio, (ver figura 5.3) tomando en cuenta la polea de menor diámetro y la velocidad de esta se puede comenzar a hacer el análisis 1d = 0.1016 m y n1 = 1750 rpm. Tomando en cuenta un factor de servicio para choque 1.3 (2) y con la potencia de 1 Hp del motor obtenemos la potencia de diseño. Potencia diseño = 1 x 1.3= 1.3 Hp. Por lo tanto según la tabla (3) podemos escoger una banda tipo “A o B” porque soportan la potencia necesaria en nuestra transmisión (1.3Hp). (1) Tabla de datos de comportamiento de los motores de inducción jaula de ardilla. Anexos Cuadro A2. (2) Factor de servicio sugerido Ks. Diseño en Ing. Mec. Shigley. Tabla 17-11 Pag. 764. Anexos Tabla A8. (3) Bandas Trapeciales Diseño en Ing mecanica Joseph Shigley 5ª ed. Tabla 17-6 Pag. 760. Anexos Tabla A4. 97 La longitud efectiva o de paso (Lp) esta definida por la ecuación.         C dd ddCLp 4 )(57.12 12 21 Donde: 2d Diámetro polea mayor. 1d Diámetro polea menor. C Distancia entre centros.     m x xLp 94.1 50.04 1016.0455.0 1016.0455.057.150.02 2         (76.21 plg) De tabla (1) para tipo” B “ el valor mas próximo es de 78 pulg. A una velocidad de 1750 rpm; v = Dn = (0.1016)1750 = 558.6 m/min (1814.27 ft /min) Interpolando de tabla (2) para banda Tipo B. Velocidad Potencia 1000 1.07 1814.27 X 2000 1.58 Para calcular el ángulo de la envolvente de la banda de la polea mas pequeña a partir de la ecuación:          c dd se