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JUAN ESTEBAN JARAMILLO CÓRDOBA SERGIO ALONSO MEDINA ESCOBAR JUAN GABRIEL ALZATE SUÁREZ WALTER DAVID URIBE SANTA WILLIAM CAMILO GALLO CUERVO

[INFORME PARCIAL 1] Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín 100

Contenido 1.

ESTADO DEL ARTE............................................................................................ 4 1.1.

Descripción del arroz.................................................................................4

1.1.1.

Clasificación............................................................................................ 4

1.1.2.

Cultivo.................................................................................................... 4

1.1.3.

La planta................................................................................................. 5

1.1.4.

Aprovechamiento de los residuos del arroz............................................7

1.2.

El arroz en Colombia.................................................................................. 7

1.3.

Procesamiento del arroz............................................................................ 9

1.4.

Normatividad........................................................................................... 13

1.5.

Maquinaria............................................................................................... 15

1.5.1.

Trilla...................................................................................................... 15

1.5.1.1.

Historia.............................................................................................. 15

1.5.1.2.

Sistemas de Trilla...............................................................................17

1.5.1.2.1. Sistemas de trilla para grandes productores.....................................18 1.5.1.2.2. Sistemas de trilla para pequeños productores..................................21 1.5.1.2.3. Impacto de la trilla sobre el grano.....................................................29 2.1.1.

Descascarado....................................................................................... 31

2.1.1.1.

Historia.............................................................................................. 31

2.1.1.2.

Sistema de descascarado..................................................................31

2.1.2.

Mejoramiento del arroz.........................................................................37

2.1.3.

Nuevas tecnologías.............................................................................. 37

2.

ÁRBOL DE OBJETIVOS..................................................................................... 40

3.

ANÁLISIS FUNCIONAL..................................................................................... 42 3.1.

Función principal global (Caja negra).......................................................42

3.2.

Lista de funciones.................................................................................... 42

3.3.

Caja transparente.................................................................................... 43

4.

ESPECIFICACIONES......................................................................................... 44 4.1.

Bench Marking......................................................................................... 44

4.2.

Check List................................................................................................ 46

5.

Generación de alternativas............................................................................48

5.1.

Lluvia de ideas............................................................................................ 48

5.2.

Diagrama morfológico................................................................................ 51

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5.2.1.

Lista de características.........................................................................51

5.2.2.

Diagrama Morfológico...........................................................................57

6.

Selección de alternativa.................................................................................65

6.1.

Método del árbol de objetivos.....................................................................65

6.1.1.

Árbol de objetivos ponderado..................................................................65

6.1.2.

Directriz VDI 2225....................................................................................67

6.1.3.

Tabla del método del árbol de objetivos..................................................68

6.2.

Concepto reformado................................................................................... 70

6.3.

Analytic Hierarchy Process..........................................................................73

7.

Concepto final................................................................................................ 75

8.

Análisis modal de fallas y efectos (AMFE)......................................................76

6.

Cálculos dimensionales..................................................................................79

6.1.

Cálculos de poleas...................................................................................... 79

6.2.

Cálculo de ejes............................................................................................ 81

6.3.

Diseño de tolva........................................................................................... 84

6.4.

Selección de materiales.............................................................................. 85

7.

Diseño para ensamblaje (Factor de complejidad de diseño)..........................87

8.

Envejecimiento de maquinaria.......................................................................88

9.

Planos............................................................................................................ 88

10.

Directrices de operación, mantenimiento y fabricación..............................89

10.1.

Manual de operación trilladora y descascaradora de arroz.....................89

10.2.

Manual de mantenimiento trilladora y descascaradora de arroz............93

10.3.

Directriz de fabricación............................................................................95

11.

Cotizaciones y tablas de costos..................................................................96

12.

Conclusiones............................................................................................. 101

Bibliografía......................................................................................................... 103 Diagrama de Gantt.......................................................................................... 109

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1. ESTADO DEL ARTE 1.1.

Descripción del arroz

El arroz es la semilla producida por la planta Oryza sativa, (familia de las gramíneas). Es considerado segundo cereal de mayor producción mundial, por su importante aporte de calorías a la hora de su consumo como alimento, y por ello es usado en la mayoría de las culturas en sus preparaciones culinarias. [1] Se considera que el arroz se ha empleado desde los 7000 años AC, pero aún no es claro su origen, pues se discuten hipótesis si se originó en África y luego en Asia, o si se desarrolló simultáneamente. El arroz se dispersó por el mundo, debido a intercambios de carácter comercial, guerras y migraciones, pues al conocer sus propiedades, hasta como medicina, los líderes de diferentes regiones lo consideraban exótico y de lujo, por su alto costo, lo que promovió su cultivo y aprovechamiento. [2]

1.1.1.

Clasificación

Aunque en el mundo se cultivan más de 1400 clases de arroz, que varían ampliamente de acuerdo a la zona, usos y propiedades, principalmente se puede categorizar a todas de manera actual básicamente por el tamaño de grano que producen; como grano corto, medio y largo. Grano corto: es casi redondo (4 a 5mm de largo y 2,5 de ancho) se caracteriza por su facilidad de pegarse durante la cocción. Se emplea mucho en Italia. Grano medio: de 5 a 6mm de largo y 2mm de ancho Al cocinarse su textura es tan suave que tiende a aplastarse. Es el más común en España y Japón. Grano largo: superior a 6mm de largo y su ancho es de 2 a 3mm. Básicamente no se pega al cocinarse. Es de los arroces de mayor calidad mundial, se cultiva en Cuba e India, se caracteriza por su especial aroma. [3] En el caso de Colombia esta es la variedad que más se cosecha y comercialmente la de mayor venta. [4]

1.1.2.

Cultivo

El arroz es un cultivo semestral tropical y subtropical, aunque la mayor producción a nivel mundial se concentra en los climas húmedos tropicales, pero también se puede cultivar en las regiones húmedas y en climas templados. El arroz se cultiva desde el nivel del mar hasta los 2.500 m. de altitud. Las precipitaciones (lluvias) condicionan el sistema y las técnicas de cultivo, sobre todo cuando se cultivan en tierras altas, donde están más influenciadas por la variabilidad de las mismas. El arroz necesita para germinar un mínimo de 10 a 13°C, considerándose su óptimo entre 30 y 35 °C. Por encima de los 40°C no se produce la germinación. El crecimiento del tallo, hojas y raíces tiene un mínimo de 7°C, considerándose su

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óptimo en los 23 °C. Con temperaturas superiores a ésta, las plantas crecen más rápidamente, pero los tejidos se hacen demasiado blandos, siendo más susceptibles a los ataques de enfermedades. El mínimo de temperatura para florecer se considera de 15°C. El óptimo de 30°C. Por encima de los 50°C no se produce la floración. [5] El cultivo tiene lugar en una amplia gama de suelos, variando la textura desde arenosa a arcillosa. Se suele cultivar en suelos de textura fina y media, propia del proceso de sedimentación en las amplias llanuras inundadas y deltas de los ríos. Los suelos de textura fina dificultan las labores, pero son más fértiles al tener mayor contenido de arcilla, materia orgánica y suministrar más nutrientes. Por tanto, la textura del suelo juega un papel importante en el manejo del riego y de los fertilizantes. La mayoría de los suelos tienden a cambiar su pH hacia la neutralidad pocas semanas después de la inundación. El pH de los suelos ácidos aumenta con la inundación, mientras que para suelos alcalinos ocurre lo contrario. El pH óptimo para el arroz es 6.6. [5]

1.1.3.

La planta

Su tallo es en forma de caña hueca por dentro, pero no en sus nudos, las hojas son en forma de lanza delgadas y con nervios dispuestos en forma paralela, su altura varía desde los 0.6 hasta 1.2 metros, las espigas al final del tallo, están formadas por una panícula en donde se encuentran las semillas, como se observa en la figura 1.

Figura 1. Tallo de la planta Oryza Sativa [6]

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La semilla de arroz está rodeada externamente por una estructura llamada pericarpio, conformando de esta forma un fruto llamado cariópside como se puede ver en la figura 2. La cariópside, a su vez, está incluida dentro de la lemma y de la pálea, estructuras que constituyen la "cáscara". El arroz descascarado o cariópside se conoce comercialmente como arroz integral o cargo; el cual, debido a la presencia del pericarpio, es de color café. Para obtener en definitiva el arroz blanco, que es el que se comercializa en forma masiva, inicialmente se procede a la extracción del pericarpio; posteriormente, y a través de un proceso de pulido, se elimina la testa, la capa de aleurona y el embrión. El producto industrial obtenido en definitiva y que se denomina arroz blanco o pulido, corresponde al endosperma amiláceo que forma parte de las semillas. El endosperma blanco, que es el principal componente de la semilla, está compuesto por gránulos de almidón inmersos en una matriz proteica. El embrión, por su parte, está constituido por la coleorriza, la radícula, la plúmula u hojas embrionarias, el coleoptilo y el escutelo o cotiledón (Figura 2). [6]

Figura 2. Cariópside de arroz y sus estructuras. [6]

Tabla 1 Composición promedio del arroz descascarado o integral (cariópside) y del arroz blanco o pulido. [7]

Componentes

Arroz descascarado O integral (%)

Arroz blanco O pulido (%)

Humedad

10,0 - 12,0

10,0 - 12,0

Carbohidratos

76,0 - 78,0

79,0 - 81,0

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Proteína

8,0 - 9,0

7,0 - 8,0

Grasa

1,8 - 2,5

0,4 - 0,6

Fibra

1,0 - 2,0

0,3 - 0,5

Ceniza

1,0 - 1,5

0,4 - 0,6

En la tabla 1 se presentan los principales componentes nutricionales así como el contenido de humedad y ceniza para comparar entre la variedad de arroz integral (poco procesado) y el arroz blanco, donde claramente se aprecia que el integral posee mayores propiedades alimenticias. El arroz puede ser sembrado manualmente (chuzo o tradicional), en donde no se emplean sistemas modernos, el producto se emplea principalmente para el autoconsumo y los excedentes se comercializan o intercambian por otras necesidades. También está el sistema mecanizado en donde a diferencia del sistema antiguo o manual, se emplean máquinas para realizar varias labores dentro del cultivo, permite a los agricultores comerciar toda su producción. En cuanto a la adecuación se produce de dos formas: Arroz riego, en donde el agua que requiere el terreno se agrega de manera artificial, por medio de bombeo, inundación o fangueo. Arroz secano, se emplea únicamente las lluvias para el riego y se distribuye por medio de canales para el drenaje. [8]

1.1.4.

Aprovechamiento de los residuos del arroz

Durante la cosecha, trilla y descascarado del arroz se obtienen básicamente dos tipos de residuos, que son, la paja o tallo de la planta que se obtiene como residuo del proceso de la trilla y la cáscara de la semilla o pericarpio que se obtiene como residuo en la etapa de descascarado del arroz (de cada 100kg de arroz se obtienen 20 kg de cascarilla [9]), por lo general los pequeños productores no hacen ningún tipo de tratamiento sobre estos residuos dejando que estos se descompongan y puedan servir de fertilizante dejándolos sobre la tierra o quemándolos simplemente. Estos residuos pueden ser utilizados en diversas aplicaciones, como lo son, preparación de materiales de construcción, en donde al incinerar la cascarilla la ceniza obtenida en condiciones específicas de combustión presentan propiedades puzolánicas, permitiendo su utilización en la preparación de tejas sustituyendo parcialmente el cemento [9]. Como combustible ya sea sólido (en quema directa, pellets, briquetas, biochar) o gaseoso (biogás) debido a su poder calorífico, contenido de carbono, hidrógeno y baja humedad [10]. Generación de energía eléctrica, en donde aprovechando el poder calorífico de la cáscara de arroz (3050 kcal/kg) se pueden producir aproximadamente 33 Mw de energía [11]. Pastoreo directo, aunque debido a su alto contenido de cenizas, mayoritariamente sílice que tiene un efecto negativo sobre la digestibilidad del forraje, para minimizar éstos efectos se le hacen tratamientos químicos con álcalis hidroliza, hidróxido de Na o con NH3, es usada principalmente en rumiantes, una vaca puede consumir hasta 5kg de paja al día 100

[12], por lo general esta paja se puede combinar con otros alimentos ensilándolo con otros productos para esto se necesita triturarlo (2-3 cm) y mezclarlo, también se puede adicionar la cáscara del arroz en ésta mezcla [13]. Como material compuesto, por medio de procesos de compactado en caliente utilizando cáscara de arroz molida y fibras de carbono cortadas [14].

1.2.

El arroz en Colombia

Se estima que el arroz llegó al hemisferio occidental por medio de Cristóbal Colón, en su segundo viaje en 1493, pero se tiene entendido que parte de las semillas no germinaron. Las primeras siembras en Colombia, según el historiador Fray Pedro Simón en 1961, afirma que se dieron en el Tolima alrededor de 1580, específicamente en Mariquita y en el municipio de prado en 1713. En Antioquia fue introducido por los Jesuitas en 1778 en San Jerónimo. Otras zonas como los llanos iniciaron la siembra a escala comercial hacia 1908. El primer molino se instaló en Bogotá en 1914. En la costa pacífica la siembra comienza en el bajo Atrato en 1928. [15] El arroz es el tercer producto agrícola en extensión, después del café y el maíz, representa el 13% del área cosechada en Colombia y el 30% de los cultivos transitorios. Su producción representa el 6% del valor de la producción agropecuaria y el 10% de la actividad agrícola Colombiana. El arroz se siembra en 211 municipios de 20 departamentos del país. [16] Los departamentos productores de arroz más importantes del país son Tolima, Meta, Casanare y Huila quienes concentran el 77% de la producción nacional. Las principales cosechas de arroz son de marzo-abril a julio-agosto, y la segunda cosecha abarca de agosto-octubre a enero-febrero. [16] El arroz para efectos de conservación se almacena seco con cáscara o paddy, [4] para garantizar mejor sus propiedades y disponer a la molienda cuando se requiera cómodamente. En la tabla 2 se muestran las principales zonas productoras de arroz con cáscara seco o Paddy en Colombia (porque es así como los productores lo venden a los principales empresas de molienda en el país), y su respectivo rendimiento por hectárea, se puede apreciar que la zona de mayor rendimiento es la central con alrededor de 6 toneladas por hectárea al año. [16]

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Tabla 2. Rendimiento de arroz con cáscara seco en Colombia. [16]

Tabla 3. Precios del arroz [17]

En la tabla 3 se pueden apreciar los precios con los cuales se comercializa el arroz según la calidad y proceso en Colombia y otras regiones de referencia.

1.3.

Procesamiento del arroz

El cultivo, cosecha y procesamiento del arroz se ha venido practicando desde los inicios de la civilización, el cultivo del mismo y la importancia que tiene este cereal para los humanos, ha permitido e impulsado el ingenio del ser humano para desarrollar tecnologías que permitan mejorar la producción del arroz. Los procesos de recolección y cosecha se han estandarizado e industrializado. En países como Taiwán, China se han desarrollado grandes industrias y se ha invertido en la investigación para el mejoramiento de maquinaria para la producción del arroz durante más de 30 años, estas maquinarias han sido producidas en serie y vendidas a países europeos [18].

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El procesamiento del arroz blanco paddy, o con cáscara es el que más se usa en la industria colombiana debido al alto consumo de la población, el proceso se ha definido en la literatura con los siguientes pasos: 1. Después de realizar la cosecha del arroz cuando ya se encuentra en su punto, se realiza el proceso de secado, este se puede realizar en el campo aunque no es lo más conveniente ya que el arroz puede sufrir agrietamientos lo que causa pérdidas en la producción [19], cuando el arroz está seco se lleva a la molienda, aquí se aparta el grano de la espiga, de basuras y pajas con el propósito de no dejar basuras en los granos del arroz [18]. En la figura 3 se observa una de las técnicas que se usa para secar el arroz en el ambiente, lo cual es lo más recomendado para mejorar la producción del arroz, ya que disminuyen las pérdidas de grano cuando se realiza el secado al aire libre [19].

Figura 3. Secado del arroz [21]

2. En la molienda se someten los granos de arroz a fuerzas abrasivas para separar la cascara del grano, estas se separan permitiendo filtrar los granos de mejores condiciones, en este proceso los granos de arroz son identificados como arroz marrón [18]. En la Figura 4 muestra el grano después del proceso descrito anteriormente, aquí se puede observar el color café de los granos después de retirarle la cascara.

Figura 4. Arroz descascarado [22]

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3. Separación de granos inmaduros, cascaras del proceso de descascarado, impurezas y del arroz marrón, en esta etapa se permite que el arroz marrón siga hacia la siguiente etapa del proceso. 4. En esta etapa se realiza el blanqueado del arroz, este se realiza mediante fricción entre los granos de arroz mediante la cual se produce el salvado de arroz marrón, este salvado son partículas pequeñas y se acumulan formando polvos, estas partículas deben ser separadas del arroz blanco [18]. En la figura 5 se puede observar cómo queda la morfología y el color del arroz después que se realiza el proceso descrito y que se realiza en la industria actualmente [18].

Figura 5. Arroz blanco [23]

5. Separación del arroz blanco según su tamaño y forma para una posterior distribución del producto [18]. En la figura 6 se puede observar el diagrama de flujo para el procesamiento del arroz a escala industrializada en el proceso de pos-cosecha, es decir cuando este llega a la molienda, estos pasos que se observan en el grafico a continuación han sido planteados en la literatura y es la línea de proceso que se usa para producción a gran escala del arroz paddy [20] Esta línea de producción es usada actualmente en muchos países productores de arroz paddy [21].

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Figura 6. Diagrama de flujo para la producción de arroz blanco [25]

Después de las diferentes etapas realizadas en la molienda, el arroz blanco sale y es empacado en costales para su posterior distribución, para condiciones ideales como humedad menor a 14% se estima que la producción de arroz blanco es aproximadamente el 67% del material que entra en la molienda [19]. La línea de producción del arroz también se aplica en el procesamiento de otros alimentos cereales tales como la soya, sorgo, maíz, entre otros. Hay propuestas de distribución de una planta de procesamiento de arroz como la que se puede observar en la figura 7 en la cual se observa una distribución del proceso específicamente para el arroz [18].

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Figura 7 Planta para procesamiento del arroz a paddy. [19]

La planta de molienda de arroz presentada en la figura 7 tiene las siguientes especificaciones, estas son dadas en [18] y son las siguientes: Capacidad: 3,000 Kg/Hr. Potencia requerida: 124 HP. Área de terreno: 15m x 6.75m x 4.5m A. 1-7 Elevador de contenedores con motor de 2 HP. C. N-250 Rodillos descascaradores de caucho con separador de cascaras. E. YRM-30 Máquina blanqueadora de arroz tipo fricción. G. KT-901 Separador de arroz quebrado. I. TC-A Contador, empaquetador y sellador de arroz de 1-15 Kg. Tuberías y ciclón de salvado. K. Almacén de cascaras.

1.4.

Normatividad

En el proceso de producción completo del arroz desde el cultivo, cosecha, producción, embalaje y venta rigen ciertas leyes y normas que están en diferentes ámbitos (ambiental, producción, comercialización, etc.) se muestran

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los decretos y leyes que nos legislan y se deben tener en cuenta para el proceso de diseño con una breve explicación de estas: AMBIENTAL DECRETO 4742 DE 2005: El cual reglamenta el uso del agua dentro de los cultivos arroceros y los diferentes sistemas de riegos que estos poseen. Decreto 1594 de 1984: Se reglamenta parcialmente la ley 09 de 0979 y el decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos sólidos. Más que todo para la captación y adecuada disposición de los desechos que se generen dentro de la industria Colombiana. Resolución 02309 de febrero 24 de 1986: (Ministerio de Salud) Normas para el cumplimiento del título III de la parte 4ª, del libro I del decreto ley 2811 de 1974 y de los títulos I, II, y XI de la ley 09 de 1979, en cuanto a residuos especiales. Dentro de la cual se regula la disposición y manejo de residuos peligrosos como lo son aceites, lubricantes y partes de repuestos y maquinaria. [1] PRODUCCON Y ALMACENAJE ACUERDO DEL MARCO PARA LA COMPETITIVIDAD DE LA CADENA PRODUCTIVA DEL ARROZ: En uno de sus capítulos relata sobre las limitaciones que se tiene el proceso agroindustrial de arroz y apartes de tecnología, en las cuales se tienen problemas de sobrecosto por almacenamiento debido la práctica de vender el arroz paddy verde en bultos ha generado problemas de provisión y reacondicionamiento de costales ya que los grandes problemas se dan en el re ensacado del arroz. El pre limpieza del arroz, ya que en los pequeños agricultores esta práctica no se lleva y esto está generando que no sean competitivos dentro del mercado, además de que los equipos de los grandes molinos y gremios también están deficientes. Ya que esta labor de limpieza influye en el secado y posteriormente en un buen y eficiente descascarado. Estos problemas y más quedan consignados en el documento anterior mente mencionado y lo que rige este documento es un plan de acción en donde se dicta que se deben corregir todos estos problemas para la competitividad del mercado arrocero en Colombia, frente a normativa se crea un estándar de máquinas mecanizadoras con nueva tecnología como las cuales estamos proponiendo en este proyecto y comités que vigilan el funcionamiento y estandarización de estas. [22] NTC 519: trata sobre las características que debe tener el arroz con cascara, tiene por objeto establecer las definiciones, clasificación y requisitos mínimos que debe cumplir este arroz. Apartamos textualmente en este trabajo los artículos de la norma que nos interesa en cuanto a las definiciones: Arroz con cáscara: aquél al cual no se le ha removido la cáscara.

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a) Arroz con cáscara limpio: aquel que no contenga más de 1 % de impurezas. b) Arroz con cáscara seco: aquel cuyo contenido de humedad máxima no excede de 14 % (base húmeda). c) Arroz con cáscara húmedo: aquel cuyo contenido de humedad es mayor del 14 % (base húmeda). Arroz descascarado: aquel al cual se le ha removido la cáscara sin someterlo a ningún proceso de elaboración; se le conoce también con el nombre de arroz moreno, integral o cargo. Arroz elaborado (blanco): arroz descascarado al cual se le ha eliminado parcial o totalmente por elaboración, el germen y las capas de la aleurona. Grano entero: grano o pedazo de grano de arroz elaborado que tiene 0,75 (3/4) o más de la longitud promedio total del grano. Grano partido o quebrado Grande: pedazo de grano de arroz elaborado menor de 0,75 (3/4) de la longitud total del grano entero, pero mayor que la mitad de la longitud promedio del grano entero. Medio: pedazo de grano de arroz elaborado que mide más de 0,25 (1/4) y es menor o igual a 0,5 de la longitud promedio total del grano entero. Pequeño: pedazo de grano de arroz elaborado que mide menos de 0,25 (1/4) de la longitud total de grano entero, pero no pasa a través de un tamiz metálico con perforaciones redondas de 1,4 mm de diámetro. Muy menudo o fragmento: pedazo de grano de arroz elaborado que pasa a través de un tamiz metálico con perforaciones redondas de 1,4 mm de diámetro. Esta norma clasifica el arroz en tipos dependiendo del tamaño del arroz y su relación longitud anchura, como se observa en la tabla 4. Tabla 4. Clasificación del TIPO NOMBRE Arroz de grano I largo Arroz de grano II medio Arroz de grano III corto

arroz según la norma [23] DESCRPCION Arroz descascarado cuya relación longitud/anchura es de 3,1 o más. Arroz descascarado cuya relación longitud/anchura es de 2,1 a < 3,1. Arroz descascarado cuya relación longitud/anchura es de < 2,1.

Y dependiendo de estos tipos se clasifican también en 4 grados de acuerdo con los requisitos que se muestran en la tabla 5.

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Tabla 5. Tabla de grados del arroz

NTC ISO 22000: norma que reglamenta la inocuidad se los alimentos en Colombia en general de todos los alimentos, pasando por todo la cadena alimentaria desde los cultivadores hasta el consumidor final. La parte norma de mayor relevancia para el diseño es la de los productores de equipos y los operadores de estos equipos, de esta norma se destacan: -

Para la construcción de procesadores de alimentos los aceros en contacto con el alimento serán del tipo inoxidable de la familia 3 ó 4. Si se utiliza lubricantes deben estar bajo la reglamentación internacional para que sean aptos en la industria alimenticia. (21 CFR 178.3570 [24] y La Norma DIN- V 10 517 [25])

Se debe proteger al máximo cualquier fuga de lubricante dentro del recinto de procesamiento. [26]

1.5.

Maquinaria

1.5.1.

Trilla

1.5.1.1.

Historia

Para hacer el análisis de la maquinaria en la historia de los procesos de trillado y descascarado, se debe empezar por el sistema inicial que se manejó para la realización de dichos procesos, éste empezó por medio de la cosecha manual, donde se recogía el arroz luego de ser cortado con hoz y atado en gavillas, para ser trillado en las eras, parcelas tapizadas de piedras lisas, y por medio de animales como caballos, bueyes, etc., se arrastraban los trillos de pedernal (tablas de madera con clavos), como se puede ver en la figura 8, luego de esto se realizaba un proceso de "limpia", en el cual se arrojaba la paja al viento, con el fin de separar la paja del grano [27], ilustrado en la figura 9.

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Figura 8. Trilla tradicional [29]

Figura 9. Aventado de arroz [30]

Los datos históricos muestran que la incursión de maquinaria agrícola en estos procesos de cosecha de arroz, se dio en 1834, en Estados Unidos, con la patente de una segadora tirada por caballos de McCormick; en 1850 con la construcción de las primeras segadoras-agavilladoras y en 1890 con la segadora-trilladoraatadora [27]. Los primeros intentos de fabricación de una trilladora se dieron en Escocia alrededor del siglo XVIII y para 1840 ya se había consolidado una fábrica de máquinas para trillar en Estados Unidos [27]. Máquinas de estilos similares son usadas aún en regiones del mundo en donde la agricultura no ha tenido un importante desarrollo tecnológico debido al difícil acceso a maquinaria agraria avanzada, como en ciertas regiones de nuestro país,

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5.1.2.

donde los recursos económicos de los pequeños productores no cubren gastos para implementación de nuevas tecnologías.

En la actualidad, la máquina reina en el procesamiento del arroz es la cosechadora, ya que permite efectuar multiplicidad de acciones simultáneamente (segado, trillado, aventado, descascarado y clasificación de semillas), ahorrando tiempo y dinero en mano de obra. Así, en el siglo pasado, la recolección con hoz de una hectárea de arroz suponía un empleo de 1400 hUTH, actualmente, en campos tecnificados el mismo trabajo se realiza con 5-10 hUTH [27].

Sistemas de Trilla El proceso de trillado se encarga principalmente de separar las semillas del tallo luego de la cosecha, para esto se ha avanzado mucho tecnológicamente hasta encontrar grandes tractores que cosechan, trillan y descascaran, esto para grandes parcelas de cultivo. Para pequeños productores, con el fin de hacer frente a las grandes compañías se ven obligadas al uso de trilladoras estacionarias a pequeña escala, por lo general construidas empíricamente por los pequeños productores [28], durante el proceso de trilla se pierde aproximadamente del 5% al 15% de la producción [4]. Dentro de los sistemas actuales de trillado de arroz se pueden distinguir dos tipos de sistemas, los convencionales y los alternativos. En los sistemas de trilla convencionales se tienen elementos básicos como el cilindro desgranador y el cóncavo, con los que se separa alrededor del 90% de los granos, cifra conocida como eficiencia de trilla [29]. Para trillar el arroz las máquinas convencionales pueden quitar de los tallos las partes portadoras de las semillas arrancando las partes de los tallos mediante el roce y/o rompiéndolas, esto haciendo rotar los elementos arrancadores (Número 10 en la figura 10 y número 50 en la figura 11) , a una velocidad periférica superior a los 5 m/s y por debajo de los 15 m/s separando las semillas del tallo (Número 33 en la figura 10 y 11) que son recibidas en un tambor (número 8 en la figura 10) y posteriormente transportadas al punto donde se almacenarán, en el caso de la figura 10 por una banda trasportadora (Número 7 en la figura 10), dejando las partes desnudas del cultivo en el campo [30] (Número 28 en la figura 10) como se observa en la figura 10 y 11. Aunque también las máquinas cosechadoras pueden cortar el tallo y por medio de un sistema de transporte o elevador, ya sea por banda o por tornillo sinfín, llevarlo al cilindro desgranador que separa el tallo de las semillas, las cuales caen por una rendijas y El tallo posteriormente es lanzado por el Cilindro batidor o “lanza pajas” a una bandeja sacudidora que retira las semillas que se pudieron haber quedado en el tallo y es

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llevado a la zona de desecho como se observa en la figura 12 y en el video 1 [31].

Figura 10. Vista lateral esquemática en sección de una forma general del aparato cosechador [33]

Figura 11. Arrancado de las semillas del tallo [33]

Figura 12. Esquema del proceso de trillado en donde el tallo es cortado. [35]

100

.2.1.

Sistemas de trilla para grandes productores En el medio también es muy común encontrar tractores cosechadores, lo cuales también realizan el proceso de trilla y descascarado simultáneamente, estos tractores cosechadores son utilizados en producciones y cultivos de arroz a gran escala, por lo tanto se ha generado un gran interés por parte de los investigadores por generar alternativas [32] que mejoren la eficiencia en el procesamiento del grano de arroz. Teniendo en cuenta que las cosechadoras de arroz a gran escala como la que se puede observar en la figura 13. Esta cosechadora comprende un mecanismo de trilla y separación convencionales 11, incluye un cilindro de trilla o tambor 20, un lanza pajas 21 y un rotor separador 22, que operan con una serie de cóncavas 23, 24, 25. Tiene también sacudidores convencionales 26 y un picador de paja 28 y la expulsa hacia el campo. Esta realiza el procesamiento basados en los principios básicos para el trillado y descascarado del arroz [32].

Figura 13.Cosechadora de arroz a gran escala

Las producciones a gran escala requieren de tiempos cortos en las paradas para realizar mantenimiento, entonces los inventores han patentado un mecanismo el cual ayuda a un desmonte y posterior montaje de los cóncavos 23, 24, 25 [32], en la figura 14 una vista lateral ampliada de la cosechadora en cual se observa cómo van estos cóncavos ensamblados en el sistema de trilla de la cosechadora [32].

100

Figura 14. Mecanismo de para monte y desmonte

El desmonte de los cóncavos ha generado largos lapsos de tiempo en las paradas ya que son elementos muy pesados y necesitaba del desmonte de varias piezas que no eran necesario desmontar, por lo tanto los inventores montaron a la cosechadora una herramienta o pieza 70 como se puede ver en la figura 13 que permite que el cóncavo 23 se pueda deslizar fácilmente para realizar la limpieza del mismo más cómodamente y rápido. En la figura 15 se puede observar cómo queda sujeto el cóncavo en la en la parte de la pieza denominada como 71 [32].

Figura 15. Sujeción del Cóncavo

Este tipo de elementos patentados a las cosechadoras para producciones de arroz a gran escala ha sido de gran importancia y permiten que las cosechas se recojan en menos tiempo, lo cual permite que el terreno se adecue más rápidamente para realizar la próxima siembra y mejorar las producciones [32]. Los inventores estadounidenses diseñaron una alternativa para la trilla que consiste de un elemento acoplable a un cosechador propulsado, de manera que cumple las funciones de corte trillado y almacenamiento de granos libres de paja para luego ser procesados. Básicamente está constituido por dos zonas 100

desacoplables para facilitar el transporte, una zona de corte y trilla y otra de limpieza y distribución a otra región de la cosechadora, como se puede observar en la figura 16. La principal ventaja de este sistema, es que permite cambiar de producto a ser cosechado sin necesidad de desarmar componentes pesados, ahorrando así tiempo considerable y gastos [33]. También reduce las pérdidas de granos cosechados al ser menos agresivo el sistema de trilla y separación [33].

Figura 16. Elemento acoplable a un cosechador

Las partes del sistema son: 1. transportador inclinado 2. cadena raspador 3. acoplamiento 4. acoplamiento 5. zona de trilladora axial 6. zona de corte 7. acoplamiento 8. acoplamiento 9. tornillo de corte 10.pared posterior 11.canal de paso 12.dedos del cilindro de pines 13.cilindro de pines 14.pines de trillado 15.riel de pines 16.espacio intermedio 17.canal de entrada del grano pre trillado 18.rotor axial separador de paja 19.cubeta para grano limpio 20.transportador 21.transportador intermedio Partes 13, 14 y 15 son fácilmente configurables para cambiar el producto a procesar.

Funcionamiento: Las plantas ingresan por la parte frontal y son cortadas, luego los granos son arrancados por el cilindro de pines, sigue ingresando el material al separador, que elimina la paja al campo de trabajo al rotar axialmente y deposita los granos en la zona de transporte para un proceso posterior [33].

100

.2.2.

Sistemas de trilla para pequeños productores Generalmente, la principal limitante para la producción de arroz es contar con los recursos financieros (precios que rondan desde los 10.000 a los 20.000 dólares [1][2][3]) para adquirir ésta tecnología de los medios de cosecha combinados [34] (tractores de cosecha), por lo cual los pequeños productores, con parcelas de menos de 10 hectáreas, en el proceso de la cosecha se corta el tallo y se lleva a un lugar donde se deja secar para, posteriormente, hacer el trillado en máquinas manuales o motorizadas de menor tamaño [34]. En la tabla 6 se puede observar la tecnología de cosecha del grano del arroz esquematizadas de acuerdo al tamaño de las parcelas, para parcelas de hasta 0.25 hectáreas la trilla se hace de manera manual, para parcelas de 1 a 10 hectáreas se utilizan trilladoras manuales o motorizadas, por lo general de fabricación criolla y para hectáreas mayores y arroz especializado (de empresas) se utilizan cosechadoras que realizan todas las funciones. En nuestro caso los clientes tienen pequeñas fincas que constan de hasta máximo 2.9 hectáreas, en donde se utilizan principalmente trilladoras manuales o motorizadas de menor envergadura. Tabla 6. Tecnologías de cosecha del grano de arroz especializado y no especializado. [34]

Éstas máquinas de menor envergadura pueden ser rústicas o de fábrica; pero, básicamente son un tambor giratoria con dientes o dedos que separan la semilla del tallo, en la mayoría el operario tiene que sostener una gavilla o manojo sobre la tolva, dejándola por un tiempo y luego la desecha para tomar otra gavilla y repetir el proceso como se observa en el video 2 [35]. También en algunas 100

máquinas el operario deposita la gavilla y ésta la toma, le quita las semillas pero el tallo sale al otro lado de la máquina donde es desechado como se puede observar en el video 3 [36] lo cual puede disminuir los tiempos de trilla. Para arrancar la semilla de los tallos se puede utilizar diferentes mecanismos anclados al tambor rotatorio, pueden ser alambres de acero en forma de triángulo dispuestos por hileras sobre el tambor como se observa en las figuras 17, 18 y 19 (Número 9 en la figura 17, 14 en la figura 18 y 10 en la figura 19) ; cuchillas con un orificio en la parte inferior como se observa en la figura 20 donde el tallo entra y se le arrancan las semillas de una manera menos agresiva (usados principalmente en las máquinas que pretenden dejar el tallo desnudo sobre los cultivos), o de barras , usado más que todo en las máquinas cosechadoras, consiste en 6 u 8 barras de acero con forma externa redondeada, dos barras sucesivas con estriado inclinado en distinta dirección, como se puede observar en la figura 21 por donde pasa el tallo y por medio de fricción la semilla es separada de éste.

Figura 17. Dientes en el tambor de forma triangular [39]

100

Figura 138. Disposición por hileras de los dientes de forma triangular [39]

Figura 149. Dientes del tambor de trilla de forma triangular. [40]

100

Figura 20. Cuchillas para arrancar las semillas del tallo. [33]

Figura 21. Cilindro de barras. [35]

En la tabla 7 se puede observar un breve resumen acerca de la clasificación de los sistemas de trilla y separación de arroz actuales, en los que se hace referencia a la trilla y la separación convencional realizada por medio de un cilindro desgranador y elementos sacudidores, los cuales son usados en cultivos de pequeña y mediana escala; la trilla mejorada al tener cilindros desgranadores múltiples gracias a separación y trilla rotativa tanto transversal como longitudinal, máquinas que permiten un manejo más grande de producción.

100

Tabla 7. Clasificación de los sistemas de trilla y separación de arroz actuales [29].

Para los pequeños productores las máquinas de trillado pueden ser manuales o motorizadas, las manuales se mueven bajo el accionamiento de un pedal que impulsa una polea y ésta a su vez impulsa el tambor rotatorio, como se observa en la figura 22 Las motorizadas acoplan un motor eléctrico o de gasolina a la polea para dar la energía necesaria para rotar el tambor como se observa en la figura 23 y Número 2 (motor), número 7, 8, 9, 12 (Poleas) en la figura 17. En el video 4 [37] se puede apreciar la fabricación y los componentes de una máquina trilladora de arroz que puede ser impulsado por pedal o acoplada a un motor. Investigadores han diseñado una maquina trilladora de pedales especial para pequeños productores de arroz. La máquina trilladora consta de un acoplamiento de pedales a una trilladora convencional, esta fue diseñada y desarrollada en VPKAS, India [38]. En el estudio del diseño se determinó que la velocidad del tambor de trilla tiene gran importancia en el rendimiento del arroz, los investigadores encuentran que los valores óptimos son: espaciamiento de los alambres 39.1mm, altura de los alambres 60.6mm, velocidad del tambor giratorio 339.46 m/min, generando así una producción de 64.6Kg/h para este tipo de trilladora y obteniendo una eficiencia de 96.4%. En la figura 24 se puede observar el prototipo diseñado por los investigadores y con el cual se analizaron las variables mejoradas en el proceso [38], además la fuente de energía que se propone es un motor eléctrico o una persona, de este modo se contribuye al uso de energías limpias, con lo cual los investigadores proponen el uso de energías limpias y no contaminantes [38].

100

Figura 22. Máquina trilladora impulsada por pedal. [42]

Figura 23. Máquina trilladora impulsada por motor. [43]

100

Figura 24.Trilladora de pedales [27]

Para determinar las características de las trilladoras convencionales se describen algunas máquinas trilladoras a continuación: En el libro “Arroz en los trópicos” hacen referencia las trilladoras pequeñas portátiles que traen motores de 5hp, son livianas y fáciles de trasladar de un campo a otro, en algunos países son alquiladas trilladoras grandes estacionarias con motores de 25 hp, una trilladora implementada en Taiwán para pequeñas productores tiene una capacidad cercana a 1000 kg/h y puede ser operada por tres o cuatro hombres, y su precio es de aproximadamente US$2000. Los ingenieros de la IRRI desarrollaron una trilladora pequeña portátil que puede ser operada y transportada por tres hombres, con una capacidad de 600kg/hora de arroz en gavillas secas y unos 300kg/hora cuando está húmedo, ésta trilladora es accionada por un motor de gasolina de 5hp y pesa 105 kg [39]. En la universidad Nacional de Táchira se diseñó una máquina trilladora estacionaria de granos, con una capacidad de 200kg/hora, el sistema de trilla consta de un cilindro circular que gira a 235 RPM, el sistema de transmisión de energía de potencia está formado por un motor eléctrico el cual transmite el movimiento rotacional por medio de bandas y poleas al cilindro trillador y a un ventilador que forma el sistema de limpieza [40]. En el libro “Ingeniería en el desarrollo – Manejo y tratamientos de granos pos cosecha” hace referencia a máquinas trilladoras provistas de un tambor giratorio con palas o con dientes movidas por un motor o conectadas a un tractor, estas trilladoras a menudo se montan sobre ruedas con neumáticos para su fácil transporte, este tipo de trilladoras requiere de dos a tres operadores, el rendimiento oscila entre los 450 y 600 kg/hora y una velocidad de trilla de 800rpm [41]. En el caso de las trilladoras manuales se debe mantener la velocidad de rotación del tambor de trilla en torno a 300 vueltas por minuto, y teniendo las gavillas en

100

la mano y apoyando la panícula contra el tambor giratorio se obtiene la trilla, el rendimiento se estima en 100kg/h. La trilla mediante esta máquina puede requerir la intervención de dos o tres operarios [41]. En el mercado se pueden encontrar algunas trilladoras pequeñas como las siguientes. 

3- punto montado pequeña trilladora de trigo con el tractor De Shandong Kuching Ali Disc Harrow Co., Ltd. [42] Precio: US$ 150-300 Energía: 2.2 KW Peso: 130 Kg Dimensión (L*W*H): 910*730*1265mm Combinado de potencia: 6hp Revolución de Rodillo: 1380 rpm Diámetro del rodillo: 370 mm Capacidad: 500-800 kg/hora



Figura Shandong Figura 21.Trilladora 25.Trilladoradede Kiching Ali Harrow [7] Shandong Kiching Ali Harrow Pequeño trilladora de trigo [7] Zhengzhou Shuliy Machinery

Co.,

Ltd. [43] Model Out size( mm) Poder( kW) Capacidad( kg/h) Peso( kg)

Sl5t-50 1500*800*1000 2.2-3 400-450 58

Sl5t-40 1240*740*915 2.2-3 350-400 50

Figura 26. 22.Pequeña Pequeñatrilladora trilladora de trigo de Zhengzhou Shuliy Machinery CO. [8]



Trilladora de arroz Sb-10d [44]

100 Figura 27. Trilladora de arroz Sb-10d. [9]

Precio: COP$ 7.400.000 Capacidad: 400-900 kg/h Motor de 10hp Diesel o gasolina de 24hp

.2.3.

Impacto de la trilla sobre el grano Ha sido de gran importancia en el proceso de trilla tener el grano de arroz lo más entero posible con el propósito de tener una mejor producción, los investigadores han tenido esto en cuenta y se encuentran estudios en los cuales se analizan los impactos oblicuos que sufre el grano en la etapa de trillado [45]. Los investigadores basados en la mecánica de contacto desarrollaron una fórmula para hallar la velocidad critica de impacto sobre el grano de arroz para que no se quiebre [45]. Para realizar el estudio se estableció un modelo computacional donde se formó el grano mediante tres capas de elipsoide como se observa en la figura 28, este modelo fue utilizado por los investigadores para realizar la simulación mediante el método de los elementos finitos, en la figura 28 se puede observar que se divide en tres capas para poder simular las condiciones morfológicas del grano de arroz [45].

2. Figura 28. Modelo computacional del grano de arroz [45].

Para realizar la simulación computacional los investigadores realizan un mallado y realizan simulaciones para diferentes pasos de tiempos en la figura 29 se puede observar los resultados entregados por el ordenador a los investigadores donde se observa la variación de los esfuerzos de Von Mises en el impacto de los dientes de trilla sobre el grano de arroz [45].

100

Figura 29. Distribución de los esfuerzos de Von Mises para diferentes pasos de tiempo [45].

En los resultados hallados se encontró que la cascara se somete a esfuerzos de tracción y se encontró que la velocidad de daño critica es de 29 m/s, que corresponde al esfuerzo máximo critico de Von Mises que se halló en la zona de impacto, como se puede observar en la figura 30 donde se hace una relación entre la velocidad de colisión y la porción de cascara rota [45].

Figura 30. Velocidad de colisión vs. Porción de cascara rota. Imagen tomada de [45].

100

2.1.1.

Descascarado

En el proceso de descascarado de arroz, se elimina la cáscara (o corteza) del arroz cáscara para producir arroz integral, pero la cáscara que es retirada en este proceso no tienen ningún valor nutricional, por lo que es desechada, pero pueden utilizarse como combustible, además, las cenizas pueden utilizarse como fuente de carbón puro para la producción de acero. [46] En cuanto a la maquinaria del proceso de descascarillado, se debe tener en cuenta que dicho proceso es una de las etapas más importantes en el procesamiento del arroz, pues se dan pérdidas considerables de arroz por la generación de altos porcentajes de arroz quebrado, debido a las características y especificaciones de funcionamiento de las maquinas usadas para este proceso, dichas pérdidas de arroz por la generación de arroz quebrado se dan debido al efecto de la velocidad diferencial de los rodillos, el contenido de humedad en el arroz [47] y la proporción de arroz paddy en el descascarado [48], por eso se debe tener cierta precaución a la hora de seleccionar las especificaciones de dichas máquinas, para ello se puede hacer uso de herramientas novedosas como lo son la combinación de Diseño para Manufactura y herramientas CAE [49]. Las máquinas usadas en el proceso de descascarillado se basan en la acción de rodillos de que giran a diferentes velocidades, removiendo la cascarilla del arroz por efecto del roce. Esta descripción se puede apreciar en la figura 31, donde se puede apreciar que la cáscara de arroz se retira del grano si este entra en los rodillos tanto de forma horizontal, como vertical.

2.1.1.1.

Historia

Incursión de las descascaradoras de arroz en el país y sus tipos. Las primeras máquinas descascaradoras que se introdujeron en el país fueron en la década de los 70’s, hasta una consolidación de entrada de este tipo de maquinaria en la década de los 90’s, donde el proceso productivo del arroz sufre una repotenciación gracias a la inversión económica que se alcanzó [50].

2.1.1.2.

Sistema de descascarado

En la actualidad se pueden encontrar tres tipos de descascaradoras, las cuales pueden ser de disco under-runner que consta de dos discos, uno inferior fijo y el superior en rotación, arrancando la cascara del arroz por medio de la fricción entre superficies. Este tipo es usado por productores pequeños en Asia y parte de África [21], el cual se usa para procesos de descascarado manual, como se observa en la figura 32. Otro tipo de máquinas son las de rodillos de caucho, mucho más populares dentro de los productores, tanto a grande como pequeña escala, debido a que el uso de discos de goma reduce el riesgo de quebrar el grano y previene el daño de la máquina por mala operación. Este funciona al tener dos discos de goma rotando a diferentes velocidades y sentido contrario, hacia el interior en ambos permitiendo que el efecto de roce y fricción y la diferencia de velocidades, 100

permitan arrancar la cascara del arroz. [46] Este tipo de descascaradora se puede apreciar en la figura 33 y en la patente de la máquina de pelado de arroz de la figura 34, donde se aprecian los dos rodillos que realizan la función del pelado del arroz desde diferentes vistas con detalle del recubrimiento de goma de los rodillos (numerales 5-8). Por último se encuentra la descascaradora Engleberg o también conocida como descascaradora de rodillo de acero y jaula como se ven en los numerales 4, 6,7 de la figura 35, que a pesar de ser un antiguo modelo, todavía se utiliza ampliamente por los pequeños productores. Consta de un eje de tubo de acero que trabaja dentro de un tambor de acero perforado que lleva también una tira de acero que sobresale, cuya distancia del eje puede variar, pero debe tenerse en cuenta que para que funcione satisfactoriamente, la descascaradora debe estar llena. [46] El grado de descascarado se regula graduando el espacio entre la tira de acero y el eje, y también graduando la cantidad de arroz, de cáscaras y de arroz no descascarado que se deja salir de la cámara de trabajo. La cantidad de salida se regula mediante una lámina deslizable. [46] Comercialmente en Colombia este tipo de descascaradora se encuentra en la empresa JM Estrada. Este tipo de descascaradora se puede observar en la figura 35.

Figura 31. Principio de funcionamiento de una descascaradora de arroz [48]

100

Figura 3215. Descascaradora tipo under runner [49]

Figura 163. Descascaradora de rodillos de goma

100

Figura 34. Patente de peladora de arroz de rodillos de goma [50]

Figura 35. Descascaradora de rodillo de acero y jaula (Engleberg) [46]

100

En los videos 5 [51] y 6 [52] se puede apreciar el funcionamiento máquina descascaradora de arroz por discos de goma.

de una

El uso de las descascaradoras de arroz por discos de goma esta generalmente restringido a ciertas condiciones de operación como lo son la capacidad de producción que es de 3 -8 ton/hora para este tipo de maquinaria, usando una potencia entre 5 y 15 kW y unas dimensiones máximas de la máquina de 1500x1300x2200 mm y un peso por lo general entre 500 y 800 kg [53]. En el mercado se pueden encontrar algunas descascaradoras pequeñas como las siguientes.





Descascaradora Automática Marca: Rcmac Modelo: CL 600 Capacidad: 5Ton/h Potencia: 10Hp

Modelo CL-600

[54]

Figura 36. Descascaradora Automática Modelo CL-600 Desgranadora de sorgo descascaradora de [54] arroz descortezadora de arroz

[55]

Marca: Jingliang Modelo: 5xt Capacidad: 4 ton/h Precio: 1.830.000 Descascarado: Engleberg 

Figura 37. Desgranadora de sorgo descascaradora de arroz Descascaradora de rodillos de goma de arroz [56] de arroz [47] descortezadora

Marca: Julite Modelo: Lm24-2c Capacidad: 1.5Ton/h Precio aproximado: 700.000 Potencia: 5.3 hp Figura 38. Descascaradora de rodillos de goma de arroz [48]



Serie mlgt descascaradora de arroz. [57] Marca: Srtart sangao Modelo: Mlgt25 Capacidad: 2.3-2.5 ton/h Precio: 3.700.000 Potencia: 7.3 Hp Figura 39. Serie mlgt descascaradora de arroz. [49]



Maquina Desgranadora y pilador de Arroz - Hecho en Japón. [58]

100

Marca: Satake Modelo: Sb10d Capacidad: 500-550 Kg/h Precio: 6.000.000 Potencia: 10Hp Revoluciones del rodillo: 900rpm Dimensiones (L*W*H): 0.86*0.74*1.5 Peso: 295Kg



metros

Figura 40. Maquina Desgranadora y pilador de máquinaArroz la - Hecho en Japón. [50]

Cáscara de arroz de la eliminación/cáscara de arroz y la eliminación de la máquina de pulido. [59] Marca: zhengzhou tizy Precio: 1.500.000 El modelo no.

Tz6n 80

Poder ( Hp )

12

capacidad ( kg/h )

800-900

velocidad ( r/min )

850-950

peso ( kg )

210

Dimensiones (m)

0.6*0.3*1 Figura 41. Cáscara de arroz de

la máquina la eliminación/cáscara de arroz y la eliminación de la máquina de pulido. [51]



cáscara de arroz de la máquina de eliminación [60] Marca: Langpu Capacidad: 160-180 Kg/h Modelo: Lp-4.7 Potencia: 3Hp Dimensiones: 0.46*0.48*0.92 m Peso: 175Kg Velocidad de giro: 700-750 Precio: 1.800.000

2.1.2.

Figura 42. Cáscara de arroz de la máquina de eliminación [52]

Mejoramiento del arroz

Uno de los grandes problemas a la hora de producir arroz a gran escala, consiste en la gran cantidad de pérdidas generadas por los diversos procesos de trilla, descascarado y pulimiento del arroz para la disposición final del cliente, en donde

100

se generan en el grano grietas, por las fuertes cargas de impacto fricción y cizallamiento, que conllevan a la rotura final del grano. [61] Es claro que mientras más cantidad de granos enteros contenga la producción de arroz, mejor sería el precio de éste, por esto en las principales industrias procesadoras de arroz se está investigando e implementando nuevos tratamientos para el arroz paddy antes de ser pelado, y sin cáscara antes de ser pulido, que se basan principalmente en el uso de agua caliente o vapor, como lo son el parbolizado, pre-cocción y secado, los cuales permiten cambiar las propiedades físicas y químicas del grano, de las más importantes están el llenado de grietas y vacíos al interior del endospermo, o aumento de la densidad aparente, (hasta un51%) para minimizar la rotura en la molienda, se mejora también el color, sabor, y la fijación de nutrientes. También se logra que el producto final pueda ser cocido en menor tiempo [61]. Con todo lo anterior las empresas dedicadas a la producción y comercialización de arroz, pueden lograr mejores resultados en cuanto a la calidad y ampliación de diferentes presentaciones de arroz con variadas características para llegar a nuevos clientes, que les permite competir e innovar [61].

2.1.3.

Nuevas tecnologías

El proceso de molienda ha sido objeto de estudio, dentro de este está el proceso de trillado el cual es esencial, con la evaluación de los rasgos y morfología del arroz trillado se ha realizado avances importantes en la implementación y mejoras de la maquinaria agrícola. Se han desarrollado estudios con los cuales se desea automatizar el proceso de trilla, estos pueden permitir realizar el proceso de alimentación y trillado automáticamente en una planta única y así de este modo mejorar el proceso que antes era de forma manual [62]. Con los avances tecnológicos se han implementado nuevas tecnologías, una de estas es el diseño de una estructura multi-jerárquica que permite realizar el proceso de trilla de manera más eficiente, separando la cascara y demás elementos de los granos de arroz de forma automática [62]. En la figura 43 se puede observar un bosquejo de la máquina trilladora diseñada, la cual consta de una banda transportadora y vibradora que alimenta el arroz a la máquina, luego se pasa por un sistema de rodillos los cuales descascaran el arroz, mediante la vibración se realiza la separación de la paja y del grano, el grano va descendiendo por los platos inclinados y de este modo se realiza la separación y trilla en una única etapa [62].

100

Figura 43. Máquina trilladora y separadora [26]

Esta máquina trilladora separa la cascara del grano marrón mediante un mecanismo de rodillos dentados que mueven el arroz con cascara de tal modos que se le da presión con los rodillos dentados en la parte superior tal y como se ve en la figura 44 [62]. Los investigadores agregaron a la estructura este mecanismo que se ve en la figura 44 que tiene la capacidad de retirar la cascara del grano de arroz, el mecanismo fue acondicionado con un tornillo para regular la presión en los tornillos, lo cual les permite concluir que la máquina también puede ser útil para trillar otro tipo de cereal [62].

Figura 44. Rodillos mesa trilladora [26].

Los diseñadores de la trilladora multi-jerarquica implantaron laminas como las que se muestran en la figura 45, esta agujeros como segundo nivel del proceso, esta lamina recibe el grano de arroz y las cascaras, donde se realiza la separación del grano de las cascaras aplicando vibración a la lámina y de este modo lograron con el diseño de esta máquina separar el grano y la cascara [62].

100

Figura 45. Lamina para separar granos de la cascara [26].

El diseño de la trilladora multi-jerárquica entregó resultados muy importantes a los investigadores ya que el grano procesado aumentó la eficiencia en la producción del arroz al generar menores pérdidas tanto de arroz quebrado(3.16% menos) y perdidas en el trillado (4.8 %menos) en comparaciones realizadas con procesos tradicionales [62]. En la figura 46 se muestra el prototipo construido para evaluar la calidad del diseño realizado por [62].

Figura 46. Prototipo trilladora [26]

100

2. ÁRBOL DE OBJETIVOS A continuación se muestran los gráficos que representan el árbol de objetivos, con este se clarifican los objetivos y objetivos secundarios mediante la siguiente distribución jerárquica de los atributos de la máquina, este árbol de objetivos se realizó teniendo en cuento los deseos del cliente para hacer el diseño de la máquina descascaradora y trilladora de arroz Paddy. Los objetivos de primer nivel que tiene la máquina a diseñar son portable, económica. Amigable con el medio ambiente y segura como se observa en la figura 47. En las figuras 48, 49, 50 y 51 se discretizan cada uno de los componentes del primer nivel para cada uno de sus componentes (Portable, Económica, Amigable con el medio Ambiente y Segura).

Figura 47. Primer nivel del árbol de objetivos del procesador de arroz

Figura 48. Discretización del árbol de objetivos para el objetivo “Portable”

100

Figura 49. Discretización del árbol de objetivos para el objetivo “Económica”

Figura 50. Discretización del árbol de objetivos para el objetivo “Amigable con el medio ambiente”

Figura 51. Discretización del árbol de objetivos para el objetivo “Segura”

100

3. ANÁLISIS FUNCIONAL 3.1.

Función principal global (Caja negra)

La figura 52 muestra la caja negra y la función global que se tiene en el proceso de descascarado, trillado y separación de cascaras y tallos de la planta de arroz con sus respectivas entradas y salidas de material, energía y señales.

Figura 52. Caja negra de la máquina trilladora y descascaradora.

3.2.             

Lista de funciones

Alimentar gavilla. Transportar Gavilla. Trillar el arroz. Transportar la paja. Tratar la paja. Descascarar el arroz. Limpiar arroz. Transportar Cáscara y cisco. Tratar Cáscara y Cisco Accionar la máquina. Transformar energía a energía mecánica. Transportar energía. Transformar energía manual a energía mecánica.

100

3.3.

Caja transparente

Teniendo en cuenta la lista de funciones que se muestra en el numeral 3.2 para realizar el esquema que se muestra en la figura 53, esta caja transparente toma las subfunciones y las relaciona entre si teniendo en cuenta las entradas y salidas de cada subfunción que se representa en los cuadros al interior de la caja transparente que define las funciones necesarias para la máquina trilladora y descascaradora de arroz.

Figura 53. Caja transparente de la máquina trilladora y descascaradora.

100

4. ESPECIFICACIONES Para determinar las especificaciones que ha de tener la máquina trilladora se utiliza el método del Bench Marking y el método del Check List.

4.1.

Bench Marking

En el Bench Marking se comparan las máquinas presentes en el mercado que realizan las funciones deseadas y de ésta manera establecer algunas especificaciones para poder ser competitivo en el mercado, en la tabla 8 se muestra el Bench Marking de las máquinas trilladoras, y en la tabla 9 de muestra el Bench Marking de las máquinas descascaradoras, la importancia se determina por medio de encuesta al cliente, estas especificaciones son dadas por empresas para comercializar sus productos, en tesis, artículos científicos que realizan investigaciones en los procesos de trillado y la importancia de los deseos del cliente Tabla 8. Bench Marking máquinas trilladoras

OBJETIVO

ECONOMICA

PORTABLE

METRI CA Operari os Potenci a Capacid ad Peso Largo

EMPRESA UNIDADES No. 1 [39]

No. 2 [39]

No. 3 [42]

No. 4 [43]

No. Operarios

1

3

2-3

1

HorsePower (HP)

5

5

3

3-4

10-24

500800 130 0.91

400450 50-58 1.3-1.5

400900

Kg/hora

600

Kilogramos metros

105

No. 5 [44]

No. 6 [40]

200

IMPORTANC IA

VALOR AGREGA DO

4/E

1

4/E

5-20

5/E

300-500

3/D 2/D

120-150 0.9 - 2

No. 7 [62]

66.8

MEDIO AMBIENTE

Ancho

metros

Alto

metros Tipo de energía No. Motores

Energía Motor

0.73 Eléctric a 1

Fósil 1

1.3 Eléctric o 1

0.740.8 0.92-1 Eléctric o 1

Fósil 1

Eléctric o 1

0.6 Manua l 1

2/D

0.7 - 1

2/D

1-2

4/E 3/D

1

Tabla 9. Bench Marking máquinas descascaradoras

METRIC A

OBJETIVO

ECONOMICA

PORTABLE

MEDIO AMBIENTE

4.2.

EMPRESA UNIDADES No. 2 [55]

No. 3

No. 4

No. 5

No. 6

No. 7

[56]

[57]

[58]

[59]

[60]

1

1

1

1

1

1

4/E

1

5.3

7.3

10

12

3

4/E

5-20

1500

23002500

500-550

800-900

160-180

5/E

300-800

295 0.86 0.74 1.55 Eléctric o 1

210 0.6 0.3 1 Eléctric o 1

175 0.46 0.48 0.95 Eléctric o 1

3/D 2/D 2/D 2/D

120-150 0.9 - 2 0.7 - 1 1-2

No. Operarios

1

Potencia

Horse Power (HP)

10

Kg/hora

5000

Energía Motor

Kilogramos metros metros metros Tipo de energía No. Motores

VALOR AGREGAD O

No. 1 [54]

Operari os

Capacid ad Peso Largo Ancho Alto

IMPORTAN CIA

Eléctric a 1

4000

Eléctric a 1

Eléctrico

Eléctrico

1

1

4/E 3/D

Check List

Teniendo en cuenta los objetivos secundarios que se obtuvieron en el proceso de clarificación de objetivos, y el Bench Marking tomando especificaciones de máquinas trilladora y descascaradoras de arroz y los requerimientos del cliente. La tabla 10 muestra la lista de especificaciones para el diseño de la maquina trilladora y descascaradora de arroz.

1

Tabla 10. Lista de especificaciones para Descascaradora y Trilladora de Arroz Cambios

Requisito/ Deseo

D D D 7/03/2011

7/03/2011 R

7/03/2011 7/03/2011

D R D

7/03/2011

R R D R

Expedido 27/04/2013 Primera versión 27/04/2013

Requerimientos 1. Geometría1: Alto = 1-2 mts Ancho = 0.7-1 mts Largo = 0.9-2 mts Tamaño del grano de arroz = 6mm Estado de entrada = Tallo cortado entre 60 y 120 cm. Estado de entrega= Tallo cortado entre 2 y 3 cm. Cisco y cáscara compactada de 10 x 20 x 15 cm Fuerzas2: Peso del dispositivo Módulo 1= aproximadamente 20 kg Módulo 2 = aproximadamente 40 kg 2. Energía: Potencia por etapas: Trillado: 3 a 5 HP Descascarado: 3 a 10 HP Corte: 1 HP Potencia Neta Instalada3: 6.5 HP Nro. De Motores = 1 unid. Energía Fósil y Manual (para el compactado) 3. Material: Entrada: Gavilla de arroz Salida: Arroz integral Paja Cortada

R D D

R

Cáscara y cisco compactado 4. Seguridad: Partes móviles No expuestas Elementos de seguridad: marcas de alertas con colores Elementos de seguridad por parte del operario. 5. Ergonomía1: Altura de operación = Máximo 1.50 en partes de acceso.

D

R

7/03/2011

R D R D

7/03/2011

R R

D D D D

6. Producción4 Arroz procesado por proceso: Trillado: 300-500 Kg/hora Descascarado: 500 a 1000 Kg/hora Para una finca de 2.5 Ha, trabajando 4 horas al día. Tiempo para procesar: 7 días/cosecha 7. Operación: Cantidad de operarios2= 1 operario 8. Ensamblaje: Modular : 2 módulos Herramientas comerciales para ensamble y desensamble Debe ser posible realizar un desensamble para mantenimiento eventual o sustitución de elementos. 9. Transporte: Mecanismo de desplazamiento = Manual (tipo carretilla o levantando) Personal requerido para el transporte = mínimo 1 operario 10. Mantenimiento: Repuestos comerciales locales Ensamblaje y des ensamblaje con herramientas comerciales

No es necesaria capacitación para realizar el mantenimiento Máximo 10 pasos para desensamblé de cada módulo. 11. Reciclaje2: Aprovechamiento de los materiales de desecho con valor agregado Paja cortada en trozos de 2 a 3 cm para consumo animal. Cáscara y Cisco compactado para fácil disposición. R

R

12. Costos2: Materiales: $2'857.041 COP Fabricación: $606.630 COP Mano de obra: $205.200 COP Operación: $79.800 COP / Ha El costo total de la máquina es de $3'463.671 COP

NOTAS:   

 

1) Criterio del diseñador. 2) Especificación del cliente. 3) La potencia neta instalada en la máquina se toma como referencia proporcionada por el Benchmarking realizado. Partiendo que en el descascarado se requiere un 50%, para el trillado 30% y para el corte de la paja un 20% de la potencia neta instalada. 4) Estado del arte y Bench Marking.

5. Generación de alternativas 5.1.

Lluvia de ideas.

Concepto 1 En la imagen a continuación se muestra el concepto de la propuesta 1 para realizar el diseño de la máquina trilladora y descascaradora, esta propuesta se realiza a través de una lluvia de ideas de los integrantes del grupo de diseño, en esta lluvia de ideas se propone una máquina como se puede ver en la figura 54, este bosquejo fue realizado en el programa computacional INVENTOR. La propuesta es realizada teniendo en cuenta los objetivos de primer nivel y secundarios del árbol de objetivos ponderados. El bosquejo que se muestra en la figura 54 consta de dos tolvas (1-2) una para desgranar y otra en la cual se va a triturar la paja sobrante del desgranado, este paso es realizado por el operario, quien se encarga de la separación inicial, luego del desgrane realizado en la tolva (1) por el tambor de desgranado (3), se pasa al proceso de descascarado, aquí se tiene en cuenta algunos conceptos encontrados en la revisión del estado del arte [26], donde se usan rodillos dentados (5) sobre una banda de transporte (6) tal y como se ve en la imagen, este concepto ha sido probado para realizar el desgranado del arroz paddy [26]. Después de realizar el desgranado los granos y la cascará caen sobre una rejilla inclinada (10), esta rejilla permite que los granos que son más densos que la cascara caigan sobre el recipiente de recepción del arroz (8) mientras las cascaras descienden y son ventiladas hacia el recipiente de desechos (9), este recipiente a su vez recibe la paja triturada, lo cual permite la recepción de los desechos que se producen en el proceso y desgranado y descascarado del arroz. La máquina consta de tres módulos, el módulo 1 está conformado por las piezas (1-3-4-5-6), el módulo dos está conformado por las piezas (8-10-11-12) y el módulo tres conforma la trituradora de tallos y pasto y son las piezas (2-7-9) y el movimiento se transmite por medio de poleas y correas tal y como se puede ver en la representación de la figura 54.

1 2

3

7

4 5

9 1 0

6

11

8

1 2

Figura 54. Concepto 1.

LISTA DE PIEZAS: 1. 2. 3. 4.

Tolva de Trillado. Tolva de triturado. Tambor de desgranado. Motor a gasolina.

5. Rodillos dentados para desgranado. 6. Banda de desgranado y transporte. 7. Cuchillas para triturar pasto y tallos. 8. Recepción del grano de arroz. 9. Recepción desechos y triturados. 10.Rejilla de separación. 11.Ruedas. 12.Base de la estructura (cuerpo, chasis). 13.Conducto de separación para cascaras sin grano. En la figura 55 se puede observar otra perspectiva de la propuesta de trilladora y desgranadora, en la cual se observa cómo van unidas las piezas y se resalta el conducto por el cual se desea conectar con el recipiente de recepción de desechos (9).

13

Figura 55. Concepto 1 vista por el otro lado.

En la 56 se muestra con más detalle cómo puede ir unido el recipiente de desechos (9) al conducto por el cual se va conducir las cascaras al recipiente mencionado.

Figura 56. Detalle del conducto de desechos concepto 1.

5.2.

Diagrama morfológico

Con el diagrama morfológico se busca generar ideas de diseño basados en el análisis funcional y el árbol de objetivos, buscado las alternativas que mejor se acomoden al diseño de la máquina.

5.2.1.

Lista de características

En base al análisis funcionar realizado anteriormente se realiza una lista de características en donde para las funciones más características que va a realizar la máquina se proponen las diferentes alternativas con las que se puede realizar dicha función, en las siguientes tablas se describe para cada función las diferentes alternativas y sus ventajas y desventajas.

Tabla 101. Lista de funciones para la función Alimentar Gavilla

Medios

Imagen

Ventaja

Tolva

-Económica. -Fácil limpieza

Manual

-Ahorro de componentes. - Se garantiza la orientación de la gavilla

Desventajas -Requiere buen diseño para tener la adecuada alimentación. -Necesita de un operario que la alimente constantemente.

- Compacto. - Diseño modular de fácil instalación. -Varias zonas de carga y descarga. -Transporte de material en grandes distancias. -Gran capacidad de transporte. - Poco peso.

Tornillo sinfín

Banda Transportadora

-Poco económica en comparación con las otras. -Limpieza complicada. -Bajo volumen de material.

-No se garantiza la orientación de la gavilla.

Tabla 11. Lista de funciones para la función Energía de entrada

Medios

Imagen

Ventaja

Desventajas

Manual

-Ahorro de costos de energía. -Sistema de energía más liviano en comparación a los otros. - No hay generación de contaminación.

-Esfuerzo del operario. No se garantiza siempre la misma entrada de energía.

Motor de combustible

-Puede ser usado en campo. -Buena entrega de potencia.

-Pesado. -Costoso. -Generación de mayor grado de contaminación.

-Energía limpia. -Buena entrega de potencia.

-Limitación a lugar con accesibilidad a energía eléctrica. -Pesado.

Motor eléctrico

Tabla 12. Lista de funciones para la función Transporte de energía.

Medios

Imagen

Ventaja

Desventajas

-Silenciosas. -Distancias relativamente grandes. -Poco Mantenimiento. -Económicas. -Fácil acople y desacople. -Velocidades elevadas.

-Sobrecarga inicial. -Posibles deslizamientos. -No son resistentes a altas temperaturas. -Mayor deterioro. -Pocas cargas de transmisión.

-No resbalamientos. Distancias medias y altas. -No es necesario pretensiones. -Altas cargas de transmisión.

-Ruidosas. -Costoso. -Velocidades no tan altas. -Montaje y mantenimiento complejo.

Engranajes

-Altas velocidades. -Grandes cargas de transmisión. -relación de transmisión constante.

-Distancias cortas. -Poco económicas.

Ruedas de fricción

-Económicas. -Pocos componentes. -Fácil fabricación.

-Ruidosa a altas velocidades. -Baja potencia. -Bajas velocidades.

Bandas

Cadenas

-Buen reductor de velocidad. -Elevada ganancia mecánica. -Ocupa un reducido espacio.

Sinfín corona

-Relación de transmisión baja. -Ruidoso. -Relativamente costosos.

Tabla 13. Lista de funciones para la función Trillar arroz

Medios Tambor de cuchilla s con orificios Tambor de alambre s de acero sin cóncavo

Imagen

Ventaja

-Arrancado de las semillas más delicado.

-Económica. -Fácil fabricación

Desventajas -Poco económica. -Fabricación compleja.

-Un poco agresiva con el grano. -No separa la paja del grano.

Tambor de alambre s de acero con cóncavo

-Económica. -Fácil fabricación.

-Un poco agresiva con el grano.

-Separación de la paja y el grano. -Fabricación compleja.

Barras

-Pocas pérdidas. -Medianamente económica.

Tabla 14. Lista de funciones para la función Transporte de paja

Medios Batidor o lanza pajas

Manual

Imagen

Ventaja

Desventajas

-Económico. -Buena capacidad de transporte.

-Distancias de transporte reducidas.

-Económico. -Transporte del material según deseo del operador.

-Esfuerzo del operario. -Requiere de mayores condiciones de seguridad.

Ventiladores

-Gran capacidad de transporte. -Transporte rápido.

-Costoso. -Pesado. -Limpieza complicada. -Requiere mayor espacio de trabajo.

Tornillo Sinfín

Compacto. - Diseño modular de fácil instalación. -Varias zonas de carga y descarga.

-Poco económica en comparación con las otras. -Limpieza complicada.

Tabla 15. Lista de funciones para la función Descascarado de arroz

Medios

Rodillos de caucho

Imagen

Ventaja -No quiebran tanto el arroz. -Gran capacidad de producción.

Desventajas -Costosa. Instalación compleja. -Uso de velocidades diferentes en los rodillos.

Disco Under Runer

-Económica.

-Maltrato a los granos (arroz quebrado)

Rodillo de acero y jaula

-Descascarado de diferentes granos. -Gran capacidad de producción.

-Medianamente costosa. -Maltrato de granos (arroz quebrado) -Sistema complejo de montaje.

Tabla 16. Lista de funciones para la función Valor agregado a la paja

Medios

Corte por cuchilla

Imagen

Ventaja

Desventajas

-Económica. -Altas tasas de producción.

-Requiere grandes medidas de seguridad.

Compactación

-Económica. -Permite tener un volumen pequeño de residuos.

-Requiere esfuerzo del operario.

Incineración

-Permite tener un volumen pequeño de residuos.

-Energía de combustible adicional. -Costosa.

Corte por alambre

-Económica. -Altas tasas de producción.

-Requiere buenas medidas de seguridad.

Tabla 17. Lista de funciones para la función valor agregado a la cáscara y el cisco de arroz.

Medios

Imagen

Ventaja

Desventajas

Compactación

-Económica. -Permite tener un volumen pequeño de residuos.

-Requiere esfuerzo del operario.

Incineración

-Permite tener un volumen pequeño de residuos.

-Energía de combustible adicional. -Costosa.

5.2.2.

Diagrama Morfológico

El diagrama morfológico se puede observar en la tabla 18, en la cual están todas las funciones con sus respectivas alternativas, realizando 2 caminos con los cuales se determinan los conceptos 2 y 3. Tabla 18. Diagrama morfológico Soluci ones Función

Solución 1

Solución 2

Alimentar Gavilla

Tolv a

Manual

Energía de entrada

Manual

Motor de Gasolina

Transporte de energía

Transporte de la paja

Band as Batidor o lanza pajas

Caden as Manual

Solución 3

Tornillo sinfín Motor eléctric o Engranaj es Neumático

Solución 4

Solución 5

Banda Transportado ra

Ruedas de fricción Tornillo sinfín

Sinfín Corona

Trilla del arroz

Descascara do del arroz

Valor agregado a la paja

Valor agregado a la cáscara y al cisco

Tambor de cuchillas con orificios

Tambor de alambres de acero sin cóncavo

Under Runer

Rodillos de caucho Corte por cuchilla

Compactad o

Concepto 2.

Tambor de alambres de acero con cóncavo

Rodillo de acero y jaula

Compactad Incineració n o

Incineració n

Concepto 3.

Barras

Corte por alambre

Del cuadro morfológico algunas de las soluciones a las funciones quedan descartadas por motivos de especificaciones y algunas consideraciones descritas a continuación. Para la entrada de energía es imposible utilizar motor eléctrico debido a que por requerimientos del usuario la máquina va a operar en el campo, sin acceso a la energía eléctrica. Para el transporte de energía se determina que el uso de cadenas no es el adecuado debido a que estas tienden a ser muy ruidosas, por lo cual al entrar en discordancia con uno de los objetivos buscados se elimina como opción. Para la alimentación de la gavilla y el transporte de la paja se considera que por la geometría de ésta hay muchas posibilidades de que se enrede en el sistema de tornillo sinfín, por lo tanto se descarta ésta posibilidad. Para el descascarado del arroz el método de rodillo de acero y jaula, se considera que es muy violento por el alto nivel de granos quebrados que se presentan en este tipo, por lo tanto se considera no es adecuado teniendo en cuenta que uno de los objetivos es lograr una alta tasa de arroz no quebrado. Para darle valor agregado a la cáscara y a la paja, a pesar de ser uno de las soluciones más utilizadas implica una alta implementación de energía y el diseño de un quemador que complicaría mucho el diseño.

Concepto 2. Este concepto de diseño, para dar solución al problema de la trilla, debe ser operado por un operario, el cual debe insertar las gavillas por la tolva superior, las cuales han sido previamente limpiadas de impurezas como piedras, etc.; donde se lleva al tambor desgranador. Para accionar el tambor y los demás componentes mecánicos de la maquina se proporcionara por medio del pedal la energía requerida al sistema, tal y como se puede observar en el módulo 1 (figura 58) donde se hace el proceso de trillado, después de realizar la trilla la paja pasa al módulo 2 (Figura 59) y el arroz con cáscara al módulo 3 (figura 60). En el módulo 2 la paja es lanzada por un batidor o lanza pajas a la zona de corte de la paja, esta paja se cortara mediante cuchillas y posteriormente pasara por un conducto tal y como se observa en la figura 59 donde es expulsada para su recolección ya que permite que se pueda acoplar cualquier recipiente que disponga el operario.

Figura 57. Concepto 2.

Los granos que hayan quedado en la paja pueden ser retirados y devueltos al módulo 1. En el módulo 3 que se observa en la figura 60 consta de una banda que transporta el arroz con cáscara hacia los rodillos descascaradores los cuales son accionados mediante correas que transmiten el movimiento generado en el pedal, después de descascarar, la cáscara y el grano caen a una capsula donde posteriormente por medio de una malla el grano de arroz cae por gravedad y un ventilador se encarga de separar la cáscara suelta del arroz, el arroz es conducido entonces es conducido por una pequeña rampa tal y como se puede observar en la figura 60 y extraído para su recolección mientras la cáscara y el cisco son llevados, y almacenados de tal manera que el operario pueda realizar su posterior procesamiento, el cual consiste en que el operario por medio de la palanca compacta éstos residuos y posteriormente se retira el bloque compactado de cáscara y cisco. El sistema

completo se puede observar en la figura 57 en esta imagen se pueden observar las divisiones de los módulos y brindan una idea de cómo va ensamblado el sistema de trillado propuesto en este concepto. Hay que recalcar que el concepto dos se destaca por usar energía manual lo cual hace que sea una propuesta amigable con el medio ambiente y sería una gran ayuda económica para los pequeños productores de arroz.

Figura 58. Módulo 1 del concepto 2.

Figura 59. Módulo 2 del concepto 2.

Figura 60. Módulo 3 del concepto 2.

Concepto 3.

En este concepto basado en el diagrama morfológico el operario acciona el motor de gasolina, toma la gavilla y la inserta en la entrada de la gavilla, el operario debe estar sosteniéndola hasta que sea trillado en el módulo 1 que se puede observar en la figura 62, posteriormente el operario deposita la paja resultante en la entrada de la paja en el módulo 2 tal y como se observa en la figura 63 permitiendo que el proceso de separación se pueda realizar manualmente. En el módulo 2 es cortada la paja por medio de cuchillas con el propósito de y posteriormente expulsado para su recolección, el arroz con cáscara trillado en el módulo uno es llevado al módulo 3 (Figura 64) por medio de una banda transportadora que conduce el grano hasta los rodillos de descascarado, donde después de descascarar el arroz cae y posteriormente por medio de una malla y un ventilador se separa la cáscara del arroz tal y como se observa en la figura 64, el arroz es entonces extraído para su recolección mientras la cáscara y el cisco son conducidos y almacenados, posteriormente el operario por medio de la palanca ubicada en el módulo 3, se dispone a compactar éstos residuos cuando observe que el recipiente de almacenamiento este casi lleno, posteriormente se retira el bloque compactado de cáscara y cisco, este procedimiento lo puede realizar sin necesidad de apagar el motor pero es necesario que pare por unos segundos de alimentar la máquina. El sistema completo se puede observar en la figura 61 donde puede ver cómo van ensamblados los tres módulos los cuales van a ser ensamblados por tornillos y muy sencillos de desmontar.

Figura 61. Concepto 3.

En la figura 62 se puede ver una vista detallada del tambor de trilla, este es diseñado teniendo en cuenta el diagrama morfológico y siguiendo como ejemplo los sistemas tradicionales de trilla tal y como se ha mostrado en la revisión bibliográfica.

Figura 62. Módulo 1 del concepto 3.

En la figura 63 se puede ver con buen detalle cómo va a estar ubicado el motor de gasolina en el módulo dos, de esta manera se aprovecha el espacio que queda en la tolva de entrada de la paja, el motor transmite por medio de poleas y correas el movimiento a los demás componentes, tal como el tambor de trilla, banda transportadora y cilindros de descascarado que se pueden observar en las figura 62 y 64.

Figura 63. Módulo 2 del concepto 3.

Figura 64. Módulo 3 del concepto 3.

6. Selección de alternativa 6.1.

Método del árbol de objetivos

Para la selección de la alternativa de diseño se utilizó el método del árbol de objetivos, en donde se identificaron los objetivos que se buscan en esta etapa del diseño, ponderando cada uno de estos objetivos por medio del árbol de objetivos ponderado, posteriormente se clarificaron los parámetros por medio de la Directriz VDI 2225 y por medio de la tabla del método del árbol de objetivos se determina la utilidad relativa por objetivo de cada concepto y se determina el concepto con mayor utilidad.

6.1.1.

Árbol de objetivos ponderado

Con el árbol de objetivos se determina la ponderación de cada uno de los objetivos, para esto se realiza una encuesta en donde el cliente determina la importancia de cada uno de los objetivos dentro del diseño que se puede observar en la taba 17, estos resultados se representan en el la figura 56. Tabla 19. Resultados encuesta

Portable Económica Amigable con el medio ambiente Segura

9 10 9 10

Bajo peso Fácil transporte

7 9

Baja cantidad de piezas Dimensiones pequeñas

5 5

Ergonómico Modular Remolcable

6 5 5

Buena relación de aspecto

5

Bajo costo de operación Bajo costo de manufactura

9

Bajo consumo energético Bajo nivel de cualificación de operarios Pocos operarios para operar la máquina

9

Alta productividad

9

7

8

10

Geometrías sencillas

2

Buen manejo de residuos Baja contaminación

8

Separar los residuos Buen tratamiento de

8 8

8

los residuos Fácil disposición de los residuos

8

Poco ruido uso de energías limpias

6 7

Sistemas de transmisión poco ruidosos

6

Bajo riesgo de lesiones al operario Pocas pérdidas de arroz Poca cantidad de elementos móviles Partes móviles no expuestas Poca cantidad de arroz quebrado Poca cantidad de arroz con cáscara

10 10

2 9

10 10

Figura 56. Árbol de objetivos ponderado.

6.1.2.

Directriz VDI 2225

Para la clarificación de los parámetros se utiliza la directriz VDI 2225, en la cual se le asigna un puntaje de 0 a 4 a cada uno de los objetivos que determinan el nivel en el que se encuentra la alternativa en cuanto a ese objetivo, para la realización de éste se consideraron las especificaciones que debería de tener la máquina, el Bench Marking y principalmente bajo el criterio del diseñador. La directriz VDI 225 se puede observar en la tabla 20. Tabla 20. Directriz VDI 2225 Puntos

Baja cantidad de piezas

Dimensiones pequeñas (AltoLargo-Ancho)(m)

0

40+

>(2-1.2-2)

1

30-40

>(1.8-1-1.8)

2

25-30