• Author / Uploaded
• Daark Kniight

Citation preview

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLLO

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

CURSO :

DISEÑO MECÁNICO

DOCENTE: Ing. Juan Sánchez Bustamante Ing. Mario Olivera Aldana

TITULO

: PICADORA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR

ALUMNOS:  Aleman Crispín Davis  Dávila Miguel Manuel Y.  Guerrero Gamboa David  Sánchez Huamaní Andrés  Sánchez Huamaní Daniel

2012 Ingeniería Mecánica-UNT

Página 1

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

INDICE ANALITICO

I.

Pág.

DISEÑO DE UNA MÁQUINA PICADORA DE BAGAZO ........................... 4 1.1 Necesidad............................................................................................. 4 1.2 búsqueda de información- entendimiento detallado del problema dediseño ............................................................................................... 4

II.

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ............................................................. 7

2.1 Especificaciones de Diseño .................................................................. 8

III.

CONCEPTO DE DISEÑO .................................................................. 11 3.1 Evaluación de alternativas .......................................................... 12 3.1.1 Transmisión por engranajes............................................................... 13 3.1.2 Transmisión por cadenas ................................................................... 13 3.1.3 Transmisión por correas .................................................................... 14

IV.

DISEÑO PARAMÉTRICO ................................................................. 19 4.1

Capacidad de la máquina .............................................................. 19

4.2

Energía específica de corte de la Caña de Azúcar ......................... 19

4.3

Velocidad y potencia de corte ........................................................ 20

4.4

Medidas promedio de una caña ..................................................... 20

4.5

Relación entre el número de revoluciones vs. el número de cuchillas, en el rotor picador .......................................................... 21

4.6

Diámetro del volante ...................................................................... 23

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 2

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

4.7

Torque de corte requerido.............................................................. 24

4.8

Potencia de corte ........................................................................... 25

IV.2 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE LA MAQUINA ........................... 25 4.2.1 Sistema de alimentación ..................................................................... 25 4.2.2

Bandeja de alimentación ................................................................ 25

4.2.3

Cortador .......................................................................................... 26

4.2.3.1 Rotor ............................................................................................... 26 4.2.3.2 Cuchillas ......................................................................................... 27 4.2.3.3 Paletas Sopladoras ......................................................................... 29 4.2.4

Diseño de los pernos ...................................................................... 30

4.2.5

Selección de fajas o correas para picadora de bagazo.................... 32

4.2.6

Diseño, del Eje Principal de la picadora de bagazo ......................... 41

4.2.6.1 Análisis Estático ............................................................................. 41 4.2.6.2 Análisis de fatiga ............................................................................... 45 4.2.7 Cálculo y Selección de Chaveta......................................................... 52 4.2.8 cálculo y selección de los rodamientos .............................................. 53

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 3

Proyecto de curso I.

Diseño Mecánico

DISEÑO DE UNA MÁQUINA PICADORA DE BAGAZO

1.1 NECESIDAD: El costo de insumos para la alimentación del ganado tiene valores exagerados, he ahí la necesidad de buscar alternativas para la alimentación sana y balanceada del ganado, aprovechando todos los recursos agrícolas de nuestro país. En el mercado existe una gran variedad de máquinas picadoras de pasto, las cuales no están sustentadas con un diseño propio para el bagazo de caña de azúcar, que tiene muchas aplicaciones en otros países, entre las cuales se incluye la alimentación del ganado. Por ello se ha realizado el diseño y construcción de la máquina picadora de bagazo de caña de azúcar. Además permite picar forrajes de igual o menor resistencia al corte. 1.2 BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN- ENTENDIMIENTO DETALLADO DEL PROBLEMA DE DISEÑO -

¿Cuál será la capacidad de bagazo picado?

-

¿Qué longitud de bagazo de caña entrara a la maquina?

-

¿Cuál es el costo máximo de fabricación?

-

¿Cuál será la velocidad de picado de la maquina?

-

¿Qué geometría y tipo de material será la maquina?

-

¿Qué rigidez y estabilidad tendrá la maquina?

-

¿Qué tipo de motor utilizara la maquina?

-

¿Qué voltaje utilizara el motor?

-

¿Qué espacio debe ocupar?

-

¿Cuál será el ángulo de corte?

-

¿Cómo será el transporte y la selección del bagazo de caña?

-

¿Cuál debe ser la velocidad tope en la máquina?

-

¿Necesitará combustible o trabajará con energía eléctrica?

-

¿Se desea arranque eléctrico?

-

¿Necesitará algún sistema de enfriamiento?

-

¿Cuál es el tope en el costo de fabricación, cuál es el capital que contamos?

-

¿Cuáles son los parámetros involucrados (temperatura, humedad, etc. del bagazo), tenemos los valores de algunos de ellos o algunos intervalos de comportamiento del bagazo?

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 4

Proyecto de curso -

Diseño Mecánico

¿Cuál es la geometría y cuáles son las dimensiones del recinto donde se debe de ubicar la máquina?

-

¿Cuál es la producción deseada, cuál es el volumen que va a trabajar la máquina?

-

¿Cuáles Los caballos de fuerza o torque que vamos a utilizar?

-

¿Cada cuánto tiempo se debe realizar un mantenimiento?

-

¿Cuál es la esperanza de vida en las horas de funcionamiento?

-

¿Qué normas de seguridad se utilizarán?

-

¿Se requieren nuevas herramientas?

-

¿Estarán involucradas cargas radiales o axiales?

-

¿Trabajan con alguna marca de motor dentro de la política de la empresa?

-

¿En que condiciones llega el bagazo?

-

¿Cuál será la condición del ambiente de trabajo de la máquina?

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 5

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 6

Proyecto de curso II.

Diseño Mecánico

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

En el sector ganadero de nuestro país, especialmente para los productores de leche, es muy importante mantener una alimentación balanceada en el ganado durante todo el año. Para ello no solo es necesario tener métodos y técnicas de alimentación, sino también contar con la maquinaria necesaria. Con

el avance de la tecnología se ha implementado soluciones a necesidades

específicas, en sector ganadero, una de ellas es mejorar la calidad del alimento del ganado, para de esta forma obtener un mayor beneficio de los productos: lácteos y cárnicos; aprovechando todos los recursos agropecuarios que son abundantes en nuestro país. Muchos de estos recursos son mínimamente aprovechados para el consumo humano, otra parte sirve de alimento para el ganado y gran parte es desperdiciado. Dado las nuevas técnicas de alimentación ganadera y el aporte tecnológico, en la actualidad, se han encontrado diversas formas de aprovechar los recursos agropecuarios en su totalidad, es por esto nuestra investigación se concentra en desarrollar una máquina que ayude a aprovechar uno de estos recursos, que es el bagazo de caña. La caña de azúcar ha sido utilizada durante mucho tiempo principalmente en la producción de azúcar, y demás derivados. A través de su historia se ha encontrado varios usos como abono y combustibles además de ser utilizado como alimento para el ganado. El bagazo en su forma original, utilizado como alimento para el ganado. El bagazo en su forma original, utilizado como alimento para ganado presenta dificultad en el proceso de corte y para masticar de los rumiantes; por esto nuestro proyecto se basa en el diseño de una máquina picadora de bagazo de caña de azúcar, para que facilite el consumo del alimento para el gandao. La combinación del bagazo de caña picado con melaza presenta un alimento balanceado adecuado para el consumo del ganado.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 7

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

2.1 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO  TITULO DISEÑO DE UNA MÁQUINA PICADORA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR  PROBLEMA DE DISEÑO Maquina picadora de bagazo

 PROPOSITO DE DISEÑO : Obtencion de bagazo picado para alimentacion de ganado vacuno  EFECTOS NO DESEADOS (NO PREVISTOS) : Corrosion de las componentes de la maquina. 1.

REQUERIMIENTO DEL CLIENTE:

 FUNCION Y RENDIMIENTO DE LA MAQUINA - Usar motor eléctrico monofásico - Tiempo de trabajo 4 hrs diarias dos en la mañana y dos en la tarde. - La máquina picará 400 kg de bagazo de caña de azúcar por jornada de trabajo. - La máquina debe cortar bagazo de caña de azúcar de tamaños entre 0.5 – 1 cm. - El bagazo se encontrara húmedo. Con un porcentaje promedio de humedad de 25% - Desperdicio de un máximo del 5% del producto, debido que quedan atrapados bagazo picado dentro del bastidor.  ENTORNO OPERATIVO - Fabricado con un material resistente a las condiciones de la empresa: (Humedad de 20 %, Calor de 28ºC, corrosión) - No generar ruidos molestos para el operador no mayor de 75 decibeles - Máquina fija y rígida.  ECONÓMICO - Gran vida económica mayor a 10 años - Mantenimiento cada 6 meses o mayor tiempo prolongado - El presupuesto para la construcción será de $ 2000

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 8

Proyecto de curso

Diseño Mecánico



LIMITACIONES GEOMÉTRICAS

-

Trabajar en un ambiente abiertos espacio mínimo de 4x5 sin techo



SEGURIDAD

-

Necesita de depósitos de almacenamiento con base de cemento para soporte

-

Nivel de seguridad suficiente a fin de preservar a las personas y a los bienes, derivados de la instalación, funcionamiento, mantenimiento y reparación de la máquina.



CONTAMINACIÓN

-

Mínimo impacto ambiental. Bandeja alimentación y recepción adecuado para evitar el venteo del bagazo picado en el ambiente



FACILIDADES DE USO

-

La posición del equipo , controles y banco de trabajo, deben permitir una postura y control correcto

-

El acceso a los distintos elementos de máquina deberá ser cómodo para las operaciones de mantenimiento montaje y desmontaje.



MANTENIMIENTO

-

Las piezas deben ser fácilmente reemplazadas y deben encontrarse en stock en el mercado nacional.

-

La máquina deberá estar diseñada para que las operaciones de verificación, regulación, engrase y limpieza se puedan efectuar desde lugares fácilmente accesibles;

2. REQUISITOS DE LA EMPRESA:  Económico: -

Precio competitivo con la maquinaria del mercado.

-

Volumen de producción:

-

Los componentes deben fabricarse por proceso de mecanizado doblado, torneado, etc.

 -

Financiación:

Inversión a recuperar en 2 años.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 9

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

CONCEPTO DE DISEÑO

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 10

Proyecto de curso

III.

Diseño Mecánico

CONCEPTO DE DISEÑO PARA CORTE ALTERNATIVAS

EXPLICACIÓN FÍSICA

APLICACIÓN

1

Fuerza de impacto

martillos

2

Fuerzas de presión

rodillos

Fuerza de cizalla y

3

discos

frotamiento Fuerza de cizalla e

4

bolas

impacto

5

Fuerza de impacto

cuchillas

PARA CUCHILLAS

ALTERNATIVA

1

EXPLICACIÓN FÍSICA

APLICACIÓN



Fuerza de impacto



Conservación de la masa



Leyes de movimiento de

Volante con cuchillas

newton

radiales y rotor soplador.



Ley de la vibración o frecuencia

Volante con cuchillas 2

Fuerzas de presión

radiales y ventilador expulsor.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 11

Proyecto de curso

Diseño Mecánico 3

Fuerza de cizalla y frotamiento

4

Fuerza de cizalla e impacto

Tambor con cuchillas en hélice. Con rotor soplador

3.1. EVALUACION DE ALTERNATIVAS Primera Alternativa El bagazo será seleccionado y transportado manualmente por un operario, del mismo modo será la regulación de la alimentación al sistema de corte. La energía para dicho sistema será proporcionada por un motor eléctrico. En el sistema de transmisión usaremos correas para transmitir la potencia hacia el sistema de picado. El sistema de picado se basará en un rotor de cuchillas dispuesta en forma radial. La expulsión del material picado lo hará con un ventilador.

Segunda Alternativa El bagazo será seleccionado por el operario y transportado manualmente. El operario guiará el bagazo hacia rodillos de alimentación forzada, para lo cual requerimos de un motor- reductor. La regulación de la cantidad de bagazo será manual. La potencia para el sistema será proporcionada por un motor eléctrico. El sistema de corte consta de un rotor- soplador de varias cuchillas dispuestas en forma radial. La transmisión será por medio de bandas para el eje del rotor.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 12

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Tercera alternativa La selección y transporte del bagazo será en forma manual, al igual que la regulación de la alimentación. Posee rodillos de alimentación forzada. La potencia es suministrada por un motor eléctrico. El sistema de corte es un rotor en forma de tambor con varias cuchillas dispuestas en forma tangencial. La transmisión será por medio de bandas. La salida del material picado será por gravedad.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 13

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Cuarta alternativa El transporte y la selección del bagazo de caña serán manuales, así como la regulación de la alimentación. La potencia necesaria para el funcionamiento del sistema será suministrada por un motor de corriente eléctrica. El sistema de corte posee un rotor- soplador en forma de volante cuyas cuchillas están dispuestas en radialmente. La transmisión de potencia desde el eje del motor hacia el rotor- soplador es directa.

De las 4 alternativas escogemos la cuarta alternativa

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 14

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Matriz Morfologica de la Picadora

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 15

Proyecto de curso

Tenemos

Diseño Mecánico

alternativas

para:

mecanismos

de

transmisión

y

mecanismos

operativos. En los mecanismos de transmisión desarrollamos las siguientes alternativas: 3.1.1Transmisión por engranajes La conexión entre dos engranajes se efectúa mediante los dientes. El paso de los dientes debe coincidir. VENTAJAS

DESVENTAJAS

 

Sin lubricación adecuada existirá exceso de fricción,

Variedad de materiales para

por lo que se incrementan

su construcción.

las

pérdidas

y

se

deterioran los dientes. 

Un

engranaje

no

metálico

facilita el trabajo con una



Costo elevado



Exceso de ruido al trabajar

buena lubricación. 

Tiene una buena relación de contacto lo que hace que el

y

dificultad

trabajo sea eficiente.

reemplazo.

en

el

3.1.2 Transmisión por cadenas La transmisión por cadenas se emplea en los casos en que la distancia entre los ejes es tal que el uso de engranajes no resulta práctico. Normalmente, la transmisión por cadenas se aplica entre ejes paralelos que giran en el mismo sentido.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 16

Proyecto de curso

VENTAJAS





La larga vida útil

Diseño Mecánico

DESVENTAJAS



Costo elevado



Sin la debida lubricación, se

No se resbala o estira

puede dar fallas en los rodillos y los pasadores.



Buena capacidad para impulsar cierto número de ejes, desde



los movimientos de los ejes.

un más

agresivo

fuerza motriz.

Permite una sincronización de

requiere

mantenimiento

una sola fuente de potencia o



Se



Exceso de ruido

3.1.3 Transmisión por correas La transmisión consta de dos poleas conectadas entre sí por medio de una correa plana o una faja en forma de V. La transmisión de correa tiene un cierto patinaje, que impide su uso en mandos sincronizados. El patinaje puede tener un valor de hasta 5%, lo que depende especialmente del ángulo de contacto entre polea y correa. Este tipo de transmisión es ampliamente utilizado en maquinaria agrícola, donde la distancia entre ejes sea relativamente grande. Esta transmisión no es adecuada para transferir cargas pesadas a baja velocidad

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 17

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

VENTAJAS

DESVENTAJAS



Funciona como amortiguador.



Trabaja silenciosamente hasta

velocidades lineales de 25 m/s.



Facilidad

de

instalación



No permite el uso de mandos sincronizados



Es necesario controlar la tensión en la banda para evitar su rotura o desalineamiento

y

reemplazo. 

Elevada capacidad de empuje



Disminuyen el volumen de la máquina



Bajo costo de mantenimiento



Son elásticos y de gran longitud,

Menor tiempo de vida

por lo que absorben cargas de choques y vibraciones.



Buena resistencia a la fatiga



Transmiten potencia entre ejes paralelos



No requieren lubricación

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 18

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

En los mecanismos operativos desarrollamos las siguientes alternativas: En el rotor picador: el rotor va acoplado a un número de cuchillas que pasan cerca del contrafilo estacionario. Para este tipo de máquinas tomamos en cuenta dos formas (tipos) de rotores que son: a) De volante En los rotores de volante se utilizan cuchillas radiales, colocadas en el pesado volante de acero. El mismo que puede estar dotado de perforaciones que permiten el paso del material picado hasta la parte posterior, o sin ellas el material caería a la parte inferior. Este tipo de rotor es utilizado generalmente para máquinas estacionarias.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

La masa de la volante es menor que la del rodillo por lo tanto se usa menos material, lo cual reduce costos.

Menor cantidad de material picado en función del tiempo

Las cuchillas son rectas, lo cual facilita el afilado de las mismas.

Facilidad de construcción Menor ángulo de corte. Permite regular el ángulo de corte con mayor exactitud.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 19

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

b) De tambor En los rotores de tambor el cilindro es ancho, y es mayor a medida que aumenta la potencia de las máquinas, en la superficie se sitúan las cuchillas formando hélices alrededor del cilindro, en número variable.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

El borde constante de las cuchillas pasa por el

contrafilo

en

una

posición

algo

tangencial. Con esto se logra un trabajo de

Dificultad en la construcción.

picado más uniforme y suave.

El ángulo de corte es mayor

La longitud de las cuchillas es mayor, con lo cual se puede cortar un mayor número de cañas.

Ingeniería Mecánica-UNT

Dificultad en el afilado de las cuchillas, debido a su forma helicoidal.

Mayor costo de fabricación por su volumen y mayor número de cuchillas.

Página 20

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

DISEÑO PARAMÉTRICO

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 21

Proyecto de curso

IV.

Diseño Mecánico

DISEÑO PARAMÉTRICO 4.1 Capacidad de la máquina. El parámetro fundamental que se requiere para iniciar el diseño de la máquina es la capacidad que tendrá el mismo. En nuestro caso se busca satisfacer una necesidades específica del cliente, según requerimientos del cliente la maquina picara un aproximado de 400 kg de bagazo de caña diario en un turno de 4 horas diarias 2 en la mañana y 2 en la tarde, en un promedio de 100 kg/hora.

4.2

Energía específica de corte de la Caña de Azúcar

La energía específica de corte es de 0.9 kgf/cm 2 basado en el estudio en la tesis

OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS EN LA FABRICACIÓN DE CUCHILLAS PARA LA COSECHA DE CAÑA DE AZÚCAR. (ver figura 3.4)

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 22

Proyecto de curso 4.3

Diseño Mecánico

Velocidad y potencia de corte.

Para hallar esta velocidad partimos de la cantidad de bagazo de caña que se debe picar, es decir, la capacidad de la máquina. El volumen de bagazo de caña de azúcar a picarse corresponde a:

V= Volumen de bagazo/hora C=Peso del bagazo en función del tiempo (Capacidad) = Densidad del bagazo de caña de azúcar

Teniendo en cuenta que el volumen del bagazo corresponde al 25% aproximado del volumen total de la caña.



Los datos de la densidad y % de volumen de bagazo fueron tomados del manual del ingeniero azucarero capítulo 41- pag. 915

4.4

Medidas promedio de una caña:

Diámetro en la base : d = 6 cm Altura : h = 250 cm

(

)

Donde: Vb=Volumen de bagazo de una caña

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 23

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

El operario ingresará aproximadamente 2 cañas a la vez. El número de cañas que corresponde a la cantidad de bagazo a picarse por cada hora es:

La alimentación del bagazo de caña hacia el rotor picador es manual, para lo cual es suficiente con un solo operario, el cual debe asegurar un ingreso constante del bagazo para que se cumpla con la cantidad de bagazo picado propuesto Para determinar la velocidad de ingreso de las cañas tomamos en cuenta la longitud promedio de la caña que es a su vez la misma del bagazo, pues al ingresar la caña en el trapiche sin pelarla, el bagazo conserva dicha longitud.

4.5

Relación entre el número de revoluciones vs. el número de cuchillas, en el rotor picador.

Las cuchillas estarán dispuestas en el volante de tal manera que corten un centímetro a la vez por cada cuchilla. Debido a que nuestro volante es rotor soplador hemos decidido colocar 3 cuchillas y 3 paletas sopladoras. Es decir, que cada cuchilla estará a 120º (2.0944 rad).

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 24

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Mientras más pequeños sean los trozos de bagazo picado mayor será el consumo delmismo por el ganado. Entonces picaremos el bagazo en tramos de 0.5 cm.

Numero de Revoluciones vs Numero de cuchillas

El volante debe recorrer el tramo a’b’ en el mismo tiempo que el bagazo de caña recorre el tramo ab, para ello tomamos en cuenta que los tiempos son iguales, tenemos lassiguientes ecuaciones:

ta'b' / 

tab e / ta'b'tab  / e /

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 25

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Donde:

 1rev / 3cuchillas 2 / 3 2.0944 velocidad angular e0.5cm

19.65cm / s

4.6 . Diámetro del volante El ancho del bagazo de la caña después de pasar por el trapiche es de aproximadamente 9 cm, se ingresará dos a la vez. Adicionando 2 cm de holgura, a los extremos de las cuchillas, tenemos una longitud de la cuchilla de 20. Sobresaldrá la cuchilla 5 cm sobre el volante, el volante tendrá un diámetro de 17,5 cm.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 26

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

4.7 Torque de corte requerido

Donde; F= Fuerza de corte R= Resistencia al corte del bagazo A= Área de corte

El radio medio del volante es de 12.5 cm, tomado desde el centro del eje hasta la mitad de la longitud de la cuchilla

4.8 . Potencia de corte Calculamos la potencia de corte en función del torque requerido y la velocidad angular del volante.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 27

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

IV.2 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE LA MAQUINA 4.2.1 Sistema de alimentación El bagazo de caña de azúcar se colocará sobre la bandeja, la cual está dispuesta en forma horizontal, con una ligera inclinación, de tal manera que facilite el ingreso del bagazo de caña hacia el rotor picador.

4.2.7 Bandeja de alimentación: La forma de la bandeja de alimentación deberá asegurar el ingreso adecuado del bagazo hacia el rotor picador, para lo cual se toma una inclinación en la bandeja de 10º de modo que se aproveche el peso del bagazo en la alimentación. Una tolva está diseñada de modo que es más amplia en la entrada y estrecha a la salida, esto asegura una alimentación uniforme, por lo que se toma este parámetro como base para que la forma de la bandeja de alimentación sea similar a una tolva de alimentación horizontal. El largo de la bandeja se establece en base al largo del bagazo de la caña, la longitud promedio de una caña es de 2.5 m, la cual al pasar por el trapiche pierde su forma y se fracciona por lo que el bagazo de caña, en su mayoría, se encuentra en longitudes inferiores a 1m; por ello consideramos que la longitud de la bandeja no debe superar este valor. El largo de cada cuchilla es de 20 cm, por lo que la boca de ingreso del bagazo hacia el rotor

picador tendrá 13cm de largo por 6.5 de alto, esto es para evitar que exista

Espacios donde la cuchilla no corte al bagazo.

Para hallar una altura adecuada a la cual colocar la bandeja de alimentación de modo que la alimentación del bagazo se torne cómoda para el operario, del cual tomamos h=1m, dicha altura se mide desde la base de la máquina picadora (suelo) hasta el extremo externo de la bandeja de alimentación para que el operario no se esfuerce excesivamente durante el proceso de alimentación del bagazo de caña de azúcar.

El material de la bandeja debe ser resistente, pues debido a la humedad que el bagazo de caña tiene se crea un ambiente corrosivo. Y el clima donde va a trabajar esta máquina es húmedo.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 28

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

4.2.3 Cortador 4.2.3.1 Rotor Tendremos 3 cuchillas dispuestas en forma radial, las cuales deben cortar el bagazo de caña en tramos de 0.5 cm. Serán 3 paletas sopladoras, las cuales deben cubrir un barrido del espacio total entre el chasis y el rotor. De modo que el largo de las paletas será de 20cm, . Las paletas serán fijadas al volante mediante soldadura, pues no hay necesidad de que las mismas sean removibles. Mientras que las cuchillas estarán unidas al volante por medio de pernos, para facilitar el mantenimiento, pues se prevé la necesidad de afilar o cambiar las cuchillas en el futuro. Una vez establecido en número de cuchillas y paletas sopladoras, debemos hallar las dimensiones adecuadas del volante, las cuales establecemos en función de la Energía Cinética y la Inercia del mismo

Se debe tener en cuenta que la densidad del material afecta tanto a la energía cinética como a la tensión del material, porque ambas son función de la masa y del cuadrado de la velocidad. Por lo tanto, un material de alta densidad no es necesariamente mejor para un volante, su energía cinética máxima depende tanto de la masa como de la resistencia.

Se usa la ecuación que rige los parámetros variables sobre volantes

Siendo: I=Momento de inercia del volante =Variación de energía cinética Cf = Coeficiente de fluctuación de velocidades Variación de energía

El coeficiente de fluctuación de velocidades depende del tipo de máquina, el valor adecuado depende de la decisión del ingeniero basado en la experiencia. Se toma un valor de Cf=0.8

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 29

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

El volante es un elemento giratorio que actúa como depósito de energía cinética, que está dada por la fórmula:



El material del que estará hecho en volante es AISI 1045



Diámetro del volante se estableció en 35 cm. Estos son los únicos datos que se conoce para el diseño del volante.



De la propiedad del acero su ρ=7838.29 kg/m3



Tomando una espesor comercial de 0.5’’ (0.00127 m)

Calculamos: 

Volumen :0.0012219 m3



Masa= 9,58 kg



Inercia=0.2502 Kg*m2



= 3.88 Kgf.m

4.2.3.2 Cuchillas Las cuchillas tendrán una forma que permita fijarlas al volante por medio de tornillos y una inclinación que asegure el corte del bagazo de caña en las dimensiones establecidas. Él material utilizado

para las cuchillas tomando como base la tesis

mencionada en referencia será un acero AISI 5160 recocido que tiene un esfuerzo de fluencia de 276 MPa. Para el diseño del filo de las cuchillas nos basamos en el funcionamiento del cizallado, el cual se evidencia en el esquema de la Figura. Donde los elementos son los siguientes:

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 30

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

El ángulo de corte de la cuchilla es de 20°. El cual permite que se realice el cizallado entre la cuchilla y la contra cuchilla tomando como referencia citada anteriormente. Se ha dispuesto que se fije mediante tornillos para que las cuchillas puedan ser cambiadas cuando se requiera y afiladas de igual manera, de modo que se facilite el mantenimiento de la máquina. Espesor Para determinar el espesor de las cuchillas tomamos en cuenta la fuerza de corte requerida para el bagazo de caña de azúcar que es igual a 11.34 kgf. Las dimensiones de largo y ancho de las cuchillas quedaron de las siguientes dimensiones

200 mm de largo 75 mm de ancho

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 31

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Utilizando la teoría del esfuerzo cortante máximo, se tiene:

Con un factor de seguridad de 5, el esfuerzo cortante máximo será:

Se escogerá un valor de 0,5‘’ 

Peso de las cuchillas = ρ * Vol



Peso = 7800*0,2*0,075*0,0245/2



Peso= 1,43 kg



Peso por tres cuchillas= 4,3 kg

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 32

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

4.2.3.3 PALETAS SOPLADORAS MATERIAL AISI 1045 De la propiedad del acero su ρ=7838.29 kg/m3  200 mm de largo = 200 mm  75 mm de ancho = 75 mm  Espesor = 0,5 ‘’ = 12,7 mm PESO= ρ * Vol =1,49 KG PESO POR TRES PALETAS =1,49 X 3 =4,47 KG

4.2.5. SELECCIÓN DE FAJAS O CORREAS PARA PICADORA DE BAGAZO El sistema de transmisión inicia con el motor eléctrico, que es el encargado de proporcionar la potencia necesaria para el funcionamiento de la máquina. Selección del motor

Potencia corregida Para hallar la potencia de diseño se debe multiplicar la potencia calculada por un factor de servicio. Esto se lo hace para prevenir fallas debido a golpes, vibraciones o tirones; dicho factor aumenta la potencia a transmitir para obtener la potencia de diseño que considera las características de trabajo de la máquina y el motor utilizado

PD=C1*Pc

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 33

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

C1 =1 PD=1*1.5 Hp

El motor se lo selecciona en función de la potencia requerida y el número de revoluciones por minuto. Para hallar la potencia del motor eléctrico, además de considerar el factor del sistema de transmisión, se debe tener en cuenta la eficiencia del mismo; pues estos dos parámetros afectan la potencia que se trasmite desde el motor hacia el rotor.

Donde: 

Pm= Potencia del motor



Nm= Eficiencia del motor

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 34

Proyecto de curso

Diseño Mecánico Pm=2 Hp

Se requiere de un motor de 1.63 Hp y 900 rpm, al aproximar los valores calculados a los que se encuentran en el mercado se tiene un motor de 2 hp y 1750 rpm. SELECCIÓN DE BANDAS Como parámetros base para la selección del sistema de transmisión se tiene un número de revoluciones por minuto del motor eléctrico igual a 1000 RPM y para el eje del rotor picador de la máquina se requieren 900 RPM y el valor de la potencia de diseño es de 1.5 HP. Entonces:



Maquina Conducida (picadora):



Maquina Motriz (Motor):

Selección de la sección de la faja: Según la gráfica. Selección de las correas en V. Usaremos para 1,5 HP y 900 rpm la faja en V tipo A

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 35

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Cálculo de los Diámetros de la Poleas:

Según la Tabla Nº 2, el diámetro mínimo para tipo A es 2,6 pulg = 6,604 cm TABLA Nº 2 Diámetros de paso de poleas, pulg Sección Recomendado

Mínimo

A

3–5

2.6

B

5.4 – 7.6

4.6

C

9 – 12

7

D

13 – 20

12

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 36

Proyecto de curso E

Diseño Mecánico 21 – 28

18

Para la polea : Entonces, escogemos un valor del rango recomendado: Si sabemos que, la relación de transmisión es:

Cálculo de la Distancia entre Centros: Tenemos la siguiente condición: (

)

Para la primera condición, obtenemos:

Entonces, escogemos un valor para C del anterior intervalo.

Calculamos la longitud de la banda, según la siguiente fórmula:

(

Ingeniería Mecánica-UNT

)

(

)

Página 37

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Reemplazando los valores, obtenemos:

(

(

)

)

( (

) )

De la Tabla Nº 3, seleccionamos la faja Nº 64 cuyo L = 65.3pulg TABLA Nº 3 (Sección A) Faja o Correa Nº

Longitud de paso, pulg

KL

A 62

63.3

0.99

A 64

65.3

1.00

A 66

67.3

1.01

A 68

69.3

1.02

A 71

72.3

1.03

A 75

75.3

1.04

Fuente: Shigley Tabla 17-10 Pg 879 Recalculamos C, para una longitud L = 65.3 (

)

(

)

Está en el rango de la primera condición.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 38

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

ARCO DE CONTACTO El arco de contacto se calcula de acuerdo al tipo de transmisión, en nuestro caso es de banda abierta, para lo cual se tiene (

)

El arco de contacto de la polea más pequeña no debe ser menor de 120º. Reemplazamos: (



)

El arco de contacto es 174º POTENCIA TRANSMISIBLE POR BANDA



P es la potencia en CV que la banda transmite en hipotéticas condiciones de trabajo,que son: k =1, D1= 3’’, D2=6,56’’,

Γ= 172º y longitudes

primitivas

estándar. 

Pd es la prestación diferencia en CV.



Con estos valores se calcula la prestación actual Paque será la potencia en CV quepuede transmitir la banda en condiciones reales. De las tablas 5 se obtiene Pd en función de N y D2 y Pd en función de N y K, Y en las tablas los valores deCГ y Cl. Pa= (1.91+ 0.09)*1*0.99 Pa= 1.98

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 39

Proyecto de curso

Ingeniería Mecánica-UNT

Diseño Mecánico

Página 40

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

 Determinación del número de bandas Para determinar el número de bandas se usa la siguiente fórmula:

En este caso se obtiene un valor menor a 5, en cuyo caso si la parte decimal del cociente es menor del 10% se toma el entero; si sobrepasa el 10% se toma el entero superior. Se requiere una banda.

 Velocidad de la banda La velocidad tangencial de la banda está dada por:

 Selección de las poleas Los diámetros de las poleas ya han sido elegidos, las poleas pueden fabricarse o seleccionarse de un catálogo; serian una polea de 3’’ y la otra de 6,5’’ de diámetro, doble canal para bandas tipo A.

 Tensiones en las poleas Polea La velocidad de la banda es = 7,8 m/s Mientras que las tensiones están dadas por la siguiente fórmula:

Donde: F1= Fuerza en el lado tenso F2=Fuerza en el lado flojo Ingeniería Mecánica-UNT

Página 41

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

f= Coeficiente de fricción θ= Ángulo de contacto

El coeficiente de fricción se obtiene de la tabla, f= 0.4 y elángulo de contacto es de 174°. F1=0.51F2 Con la fórmula de la potencia se tiene: P= F.V

2= (F1-F2)*7,8/746 F1-F2=191,28 N F2= 76,2 N F1=267.25 N

 Torque producido en la polea

T=38,86*0,1651/2 T= 3,2 Nm

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 42

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

DISEÑO DE LOS PERNOS DE LA CUCHILLA Para que las cuchillas se sostengan con la volante existen dos pernos que pasarán entre ambos, se considerará dos tornillos de cabeza hexagonal DIN931 (M10) –pag89 Matacon diámetro 11.2mm ,

y una tuerca hexagonal DIN934 –pag98 Mat- de 8mm de

espesor, todo estos implementos serán construidos con acero AISI1040.

La configuración del perno, con sus respectivas medidas y fuerzas, se pueden observar en la ilustración

A

La Fc es la fuerza de corte generada por la cuchilla y equivale a 111.25N y la F R son las fuerzas generadas hacia los pernos. A continuación se realizará el cálculo de fuerzas y reacciones en equilibrio estático, para poder determinar el factor de seguridad del perno. Según la ilustración, aplicando equilibrio estático de las fuerzas en el perno tenemos:

∑

∑

Para conocer el esfuerzo normal por flexión se utiliza la fórmula que es llamada de Navier, y es la siguiente:

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 43

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Ecuación Fórmula de Navier

Donde →

C = Distancia desde el eje neutro al extremo I = Momento de Inercia M = Momento Flexionante

Descomponiendo la fórmula 26 en factores conocidos tenemos: ⁄

Donde

d → Diámetro del perno, 11.2mm

Remplazando los valores en la ecuación obtenemos:

Para obtener el factor de seguridad se aplica la siguiente fórmula:

El valor de Sy para el acero inoxidable 304 es de 276 Mpa.

Remplazando datos tenemos

Por lo que no hay falla aplicando la Teoría del Esfuerzo Máximo.

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 44

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Para asegurarnos de que no haya falla con la máxima tensión cortante, se aplica la siguiente fórmula:

Donde Vmax= 278.025N Remplazando datos tenemos: (

)

Para el factor de seguridad se aplica la siguiente fórmula:

Debido a que el factor de seguridad es alto es posible utilizar este tipo de pernos M10

 Eje del rotor. Un eje de acero AISI 1040 estirado en frio con la geometría que se muestra en la figura Sut

:

590 Mpa (85 kpsi) = 5988,6 kg/cm2

Sy

:

490 Mpa (71 kpsi)= 5003,5 kg/cm2

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 45

Proyecto de curso 4.2.6

Diseño Mecánico

Diseño, del Eje Principal de la picadora de bagazo:

4.2.6.1 Análisis Estático

Asumiendo un diámetro de

1.5’’ para el eje principal, se realiza un análisis

estático considerando sólo el efecto de los pesos de la volante cuchillas y las paletas sopladoras, el peso del eje principal, y la tensión producida en la polea. Una vez determinada las tensiones en la polea, analizaremos las cargas sobre el eje principal tanto en el eje y como en el eje z.

Diagrama de fuerza plano XZ

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 46

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Diagrama de fuerza XY

Diagrama de esfuerzos cortantes plano XZ

Momentos flectores plano XZ

Esfuerzos cortantes XY Ingeniería Mecánica-UNT

Página 47

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Momentos flectores XY

Momento torsor 

RAY=91 N



RBY=-100N



RAZ=108.33 N



RBZ=137.96

De los diagramas se encuentra los puntos críticos B y C 

Mb=√



Mc=√ Momento flector máximo =9.9 Nm

Momento torsor máximo = 3.2 Nm 

Verificación del coeficiente de seguridad del eje, mediante la hipótesis del esfuerzo cortante máximo: *

Ingeniería Mecánica-UNT

√

+

Página 48

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Dónde:

( Despejando

)

de la ecuación, obtenemos: *

+

√

4.2.6.2 ANÁLISIS DE FATIGA

Límite de Fatiga: Se determina la resistencia a la fatiga, utilizando para ello los factores correspondientes:

Dónde: ( (

(

Ingeniería Mecánica-UNT

)

)

)

Página 49

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Sabemos que: (

(

)

)

Luego: Para el factor de superficie tenemos: (

)

Para acabado superficial maquinado o laminado en frío tenemos: ( Para 1.5

)

se tiene que el factor de tamaño es:

Para el factor de carga tenemos que cuando se combinan torsión y flexión:

Y la carga combinada será obtenida por la aplicación efectiva del esfuerzo de Von Mises. Para el factor de temperatura tenemos:

Para el factor de efectos varios tenemos:

Reemplazando:

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 50

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

a) Para Flexión:

⁄ Dónde:

Luego:

De grafica de Shigley para flexión

Kt =1,6

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 51

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

b) Para Torsión: De la grafica

. Sensibilidad de la muesca Del material tenemos: 

Sut= 85 kips



r = 3 mm Luego:

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 52

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

(

) (

Ingeniería Mecánica-UNT

)

Página 53

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

(

) (

)

Como se observa la mayor concentración de esfuerzos tanto para flexión como para torsión se encuentra en la zona de los entalles, por lo que se procederá sólo al análisis de ésta. El eje durante el funcionamiento está sometido a flexión alternante y torsión continua, es así que se producen esfuerzos flexionantes, que se invierten alternativamente por completo, y un esfuerzo torsional que permanece constante. Para el análisis del eje consideraremos primeramente la fatiga en la zona del entalle: ESFUERZO ALTERNANTE

Dónde:

Reemplazando:

(

Ingeniería Mecánica-UNT

)

Página 54

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

En el caso particular el esfuerzo medio es:

ESFUERZO CORTANTE MEDIO:

Dónde:

Reemplazando:

(

Ingeniería Mecánica-UNT

)

Página 55

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

Esfuerzos equivalentes: Según el criterio de Von Mises: (

( (



)

√

(

)

)

)

√ √

√ (

)

Goodman Modificado (

)

ngoodman= 20,59 

Sodergerg

= 20,43 

Gerber y Langer

√(

)

(

)

= 21,43 (

Ingeniería Mecánica-UNT

)

Página 56

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

4.2.7 CÁLCULO Y SELECCION DE CHAVETA Nos regimos al DIN 6887 (Dibujo Mecánico I J. Mata. Pag 116)  Φ = 30 mm  Anchura =8mm  Altura de Chaveta = 7 mm  Profundidad Chavetero del eje = 4 mm  Profundidad chavetero del cubo = 2,4 mm  Longitud normalizada l=10 mm

4.2.8.CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS:

1) Apoyo en lado A: √

2) Apoyo en el lado B √

Como vamos a colocar el mismo tipo de rodamiento en ambos apoyos entonces cla carga de diseño será la mayor: P= 170,4 N=38,31 lbf Confiabilidad del cojinete es 0,99

[

Ingeniería Mecánica-UNT

(

)(

)

]

Página 57

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

(

)

[

(

)

]

Del manual de SKF de Escoge una rodamiento de la serie 6305

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 58

Proyecto de curso

Diseño Mecánico

DISEÑO DE DETALLES

Ingeniería Mecánica-UNT

Página 59