UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TESIS DISEÑO DE MÁQUINA TRILLADORA MANUAL PARA PRODUCIR CEBADA LIMPIA EN LAS ZONAS ALTOANDINAS DEL PERU.
PRESENTADA POR EL BACHILLER:
VILLALVA ALFARO MIÜLLER MIGUEL PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO HUANCAYO – PERÚ 2017
ASESOR I!" D#" $M!"% &&&&&&&&"
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RESUMEN La investigación a realizarse es tipo tecnológico y nivel aplicado. Se encuentra dentro de la línea investigación de diseño de máquinas, con el que se pretendió determinar la configuración de la máquina trilladora para cebada que debe permitir realizar las labores de trillado y limpieza de manera mecanizada y a su vez debe ser accesible para los pequeños productores. Para lo cual se diseñara la máquina trilladora para cebada en el aneo de !uacan del distrito de "#acapampa de la provincia de !uancayo la región de $unín, Per%. Se empleara el m&todo Sist&mico con diseño eperimental, la medición de la variación en el volumen de producción de granos limpios a la salida de la máquina se realizara controlando las rpm en el ingreso del accionador y se realizara un plan de mantenimiento. Para desarrollar la prueba de !ipótesis se empleara la prueba de #ipótesis de 'nálisis de (arianza )actorial para determinar la me*or configuración de los componentes de la máquina que nos permita encontrar la configuración que nos ofrezca mayor volumen de producción de granos limpios con la menor potencia entrada en el accionador por parte del operador.
P+/+9#+. */+5'.+ rillado, configuración, maquina trilladora, mantenimiento.
ABSTRAC #e researc# to be carried out is tec#nological and applied level. -t is it#in t#e researc# line of mac#ine design, #ic# is intended to establis# t#e configuration of t#e t#res#ing mac#ine for t#e barley t#at must allo t#e tas/s of t#res#ing and cleaning in a mec#anized ay and once it s#ould be accessible to Small producers. )or #ic# t#e t#res#ing mac#ine for barley is designed in t#e !uacan 'nne of t#e "#acapampa 0istrict of !uancayo Province in t#e $unín region, Peru. #e use of t#e systemic met#od it# eperimental design, t#e measurement of t#e variation in t#e volume of production of clean grains to t#e eit of t#e mac#ine is realized controlling t#e rpm in t#e ingredient of t#e actuator. )or t#e !ypot#esis test e use t#e #ypot#esis test of )actor (ariance 'nalysis to determine t#e best configuration of t#e mac#ine components t#at t#e only configuration is found t#at t#e #ig#est volume of production of cleaned grain it# t#e loest input poer is t#e actuator by t#e operator.
'4 ;,#(: #reading, setting, t#res#ing mac#ine.
INDICE GENERAL Página 'sesor
i
'gradecimiento
ii
0edicatoria
iii
1esumen
iv
'bstrac
v
2ndice general
vi
2ndice de figuras o ilustraciones
i
2ndice de cuadros tablas o
-ntroducción
3
CAPITULO I PL'45'6-547 05L 5S80-7 3.3 Planteamiento del problema 3.9 )ormulación del problema 3.9.3 Problema :eneral 3.9.9Problemas específicos ;opcional< 3.=
7b*etivos de la investigación
3.=.3 7b*etivos 7b*etivo general 3.=.3 específicos ;opcional< 3.> $ustificación 3.? Limitaciones del estudio
CAPITULO II 6'1"7 571-"7 9.3 'ntecedentes de la investigación. 9.9 @ases teóricas 9.= @ases conceptuales 9.> !ipótesis ;si es pertinente< 9.? 7peracionalización de variables.
CAPITULO III 65707L7:2' 05 L' -4(5S-:'"-A4 =.3 6&todo de investigación =.9 ipo de investigación =.= 4ivel de investigación =.>. 0iseño de investigación =.? Población, muestra o unidad de obs ervación =.B &cnicas e instrumentos de recolección de datos =.C Procedimiento de recolección de datos
CAPITULO IV -8L7 05L "'P-8L7 05 '"85107 'L 56' 05S'117LL'07 >.3 Subtítulo 3. >.9 Subtítulo 9. >.= Subtítulo =. >.> Subtítulo >.
CAPITULO V 15S8L'07S 05 L' -4(5S-:'"-A4 ?.3 Presentación de resultados ?.9 'nálisis estadístico de los resultados ?.= Prueba de #ipótesis ;si es pertinente< ?.> 0iscusión e interpretación de resultados ?.? 'portes y aplicaciones "74"L8S-745S. 15"76540'"-745S @-@L-7:1')2' '45D7S
INDICE DE FIGURAS
INDICE DE TABLAS
INTRODUCCI
EEF>EEE m.s.n.m., una de las principales fuentes de ingresos para la subsistencia de las familias es la agricultura, y dentro de ello principalmente el cultivo de cereales como "ebada, trigo, quinua, etc. 5l proceso para la obtención de los productos finales de estos granos para que puedan ser consumidos es bastante laboriosos desde la siembra, pasando por la cosec#a, siega, trillado y venteado de los mismos. 5n la actualidad los grandes productores de cereales emplean maquinaria agrícola para desarrollar todos los procesos, debido a que resulta más eficientes cuando las etensiones de cultivo son etensas y la capacidad de estas maquinarias es de aproimadamente = 74G#ora. 5n esta investigación se busca implementar el uso de tecnologías en la cosec#a de los granos de cereales en las zonas alto andinas de !uancayo, como es el uso de maquinaria estacionaria para pequeños productores de cereales el cual cumplirá con la función de trillado y venteado de los cereales cosec#ados. Los componentes que #arán posible esta labor son el mecanismo de impulsión, el cual será accionado manualmente y que trasmitirá potencia los demás componentes, como al desgranador el cual separa los granos de las espigas de los cereales, y tambi&n al ventilador el cumplirá con la tarea de separar la broza de los granos comestibles que serán decepcionados en costalillos para su almacenamiento.
5l autor
CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1"1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
8na de las principales fuentes de ingresos para la subsistencia de las familias es la agricultura, y dentro de ello principalmente el cultivo de cereales como "ebada, trigo, quinua, etc. 5l proceso para la obtención de los productos finales de estos granos para que puedan ser consumidos es bastante laboriosos desde la siembra, pasando por la cosec#a, siega, trillado y venteado de los mismos. 5n la actualidad los grandes productores de cereales emplean maquinaria agrícola para desarrollar todos los procesos, debido a que resulta más eficientes cuando las etensiones de cultivo son etensas y la capacidad de estas maquinarias es de aproimadamente = 74G#ora. 5s por ello que los productores recurren generalmente a las maquinas trilladoras estacionarias las cuales tienen un volumen de producción que está en un rango de 9EEFC?E HgG#. al es el caso de la 1-LL'071' I7117 '40-4' con una capacidad de 9EEF=EE HgG#, una potencia del motor estacionario de ?.? !PJ con un costo de SG=?EE.EE, otra máquina sería el caso de 6'"17 1-LL'071' con una capacidad de >EEF?EE /gG#, una potencia de 9,9 /KJ con un costo de SG >EEE.EE. Los precios de estas máquinas no son tan ele vadas debido a que generalmente es adquirido por comunidades andinas, o en otros casos son alquiladas. Sin embargo, en las comunidades alto andinas de !uancayo la realidad económica de las familias es de pobreza etrema, y la producción de cereales es solo para su propio consumoJ mas esto no les permite generar ingresos y muc#o menos a#orrar. 5s por ello que surge la necesidad de diseñar y construir una máquina trilladora de cebada, trigo, etc. ue sea totalmente mecánica y a la vez pueda ser accionada por la fuerza de una persona. Por otro lado la capacidad de la máquina debe de ser más acorde a la realidad de los pequeños productores, y los precios de fabricación no deben de eceder los S.G=?EE.EE que es el valor de máquina industrial.
una
"on esto se debe lograr que muc#os pequeños productores logren acceder a una máquina trilladora, que les permita realizar todos los procesos de cosec#a muc#o más rápido, y que sean menos laboriososJ garantizando un mayor volumen de producción por #ora. La máquina trilladora de cereales parte de la definición de 6áquina, para desempeñar su función que es, absorber energía de una clase para restituir energía de otra tipo. 5n este caso absorbe energía como parte del traba*o de una persona y la restituye al sistema en forma de energía mecánica para que pueda accionar los mecanismos que la componen. ;6atai, 9EE?<. 'sí 6ismo 6iguel Mngel 'larcón Porras ;9E3>< 5n su tesis N1econstrucción de una trilladora agrícola con adaptación de un motor de combustión interna para una micro empresa familiar en el "antón 'lausíO propuso la adaptación de un motor estacionario de combustión interna a la trilladora, el cual le brinda movilidad individual a todo el con*unto mecánico, por tal motivo se reduce tiempos los tiempos de parada por instalaciones de equipo por separado. Por 7tro lado !ebel augusto (idal @azalar en su tesis titulada N0iseño y fabricación de una máquina limpiadora de trigoO, comprobó que mediante esta máquina el ser #umano puede generar suficiente potencia para producir por lo menos =EE /gG# de trigo limpio, considerando 9E a =E de broza no mayor a 3? cm en la mezcla. Sin embargo, no se #a podido precisar la potencia demandada.
-ván 'dolfo 6alpartida de la cruz en si tesis titulada Ndiseño y fabricación de una máquina limpiadora de trigoO, afirma que para el diseño de esta venteadora #a requerido el uso de una metodología de diseño de conocimientos de áreas diversas, como los de turbo máquinas y mecanismos de transporte, y de eperimentos y ensayos diversosJ todo ello #a servido para encontrar un diseño que presenta venta*as notables con respecto a las venteadoras artesanales encontradas en el estado del arte previo.5n esta investigación se busca implementar el uso de tecnologías en la cosec#a de los granos de cereales en las zonas alto andinas de !uancayo, como es el uso de maquinaria estacionaria para pequeños productores de cereales el cual cumplirá con la función de trillado y venteado de los cereales cosec#ados. Los componentes que #arán posible esta labor son el mecanismo de impulsión, el cual será accionado manualmente y que trasmitirá potencia los demás componentes, como al desgranador el cual separa los granos de las espigas de los cereales, y tambi&n al ventilador el cumplirá con la tarea de separar la broza de los granos comestibles que serán decepcionados en costalillos para su almacenamiento.
1"2 FORMULACI
*'9+(+ /)3)+R
1"2"2 P#,9/'3+. '.'*8=)*,. Q"ómo introducir y fomentar la utilización de la maquina adaptándola donde el uso de mano de obra sea manualR Q"ómo llegara a la aceptación del prototipo dentro del nivel requerido por los productores de cebadaR
Q"ómo me*orar la economía de los productores mediante una máquina de trilla y limpieza rápida de la cebadaR Q"ómo garantizar el uso de materiales y la eistencia de repuestos disponibles en el mercado nacionalR
1"> OB?ETIVOS DE LA INVESTIGACI"1 O9'-)5, !''#+/ 0iseñar una máquina trilladora manual capaz de separar los granos de cebada limpia de la pa*a.
1">"1 O9'-)5,. '.'*8=)*,. -ntroducir y fomentar la utilización de la maquina adaptándola donde el uso de mano de obra sea manual. Lograr la aceptación del prototipo, dentro del nivel requerido por los productores de cebada. 6e*orar la economía de los productores mediante una máquina de trilla y limpieza rápida de la cebada. :arantizar el uso de materiales y la eistencia de repuestos disponibles en el mercado nacional.
1"@ ?USTIFICACI
1" LIMITACIONES DEL ESTUDIO F 8na de las principales limitantes de la producción de cebada en nuestro país es la falta de tecnología para la cosec#a y producción la cual debe realizarce a una fec#a regular para evitar p&rdidas de grano en el campo y p&rdida de tiempo en el trillado y venteado manual. F 'ccionamiento manual es una de las limitaciones que presenta la maquina trilladora y limpiadora de cebada.
CAPÍTULO II MARCO TE
2"1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACI
'larcón Porras ;9E3><, en su tesis profesional titulada N1econstrucción de una trilladora agrícola con adaptación de un motor de combustión interna para una micro empresa familiar en el cantón 'lausíO, concluyó que NLa adaptación de un motor estacionario de combustión interna a la trilladora brinda movilidad individual a todo el con*unto mecánico por tal motivo se reduce tiempos de paras por instalaciones de equipos por separadoO. Llangarí zaqui y @enalcázar Soria ;9E39<, en su tesis profesional titulada N0iseño y construcción de una trilladora y limpiadora de quinuaO comprobó que NLa trilladora "-)565 S.'.6+ presentara un rendimiento de =C,39 HgG!ora mientras que por el m&todo manual apenas se llegó a obtener 9.93 HgG!ora lo que le permito identificar cual era el m&todo menos eficiente. 6ientas que con su propuesta se obtuvieron granos limpios con p&rdidas inferiores al ? del peso total obtenido, además se independizo al proceso de limpieza del factor ambiental pues la máquina genera su propia corriente de aire. 5n el venteado artesanal la cantidad de p&rdidas está definida por+ la velocidad de la corriente de aire, por la cantidad de personas que traba*an en el proceso, pues #ay que *untar los granos esparcidos y por las #erramientas que usen para el venteado ;#orquetas, zarandas<. 'rtesanalmente el grano limpio perdido supera el 3E del peso total obtenidoO. 'sí mismo 6'LP'1-0' 05 L' "18I ;9EEC<, en su tesis profesional titulada N0iseño y )abricación de una máquina venteadora de "ebada y trigo y cebadaO, "oncluyó que se puede Nobtener granos limpios con p&rdidas inferiores al ? del peso total obtenido, además se independizó al proceso de limpieza del factor ambiental pues la máquina genera su propia corriente de aire. 5n el venteado artesanal la cantidad de p&rdidas está definida por+ la velocidad de la corriente de aire, por la cantidad de personas que traba*an en el proceso, pues #ay que *untar los granos esparcidos y por las #erramientas que usen para el venteado ;#orquetas, zarandas<. 'rtesanalmente el grano limpio perdido supera el 3E del peso total obtenidoO.
(-0'L @'I'L'1 ;9EE><, en su tesis profesional titulada 0iseño y fabricación de una máquina limpiadora de trigo -ndica que N6ediante esta máquina el ser #umano puede generar suficiente potencia para producir por lo menos =EE /gG# de trigo limpio, considerando 9E a =E de broza no mayor a 3? cm en la mezcla. 'demás lo que resalta en su traba*o es que Las maquinas industriales que e*ecutan *untos, el trillado y venteado, tienen un peso promedio de 3?E Hg sin incluir el motor ;usualmente de combustión interna ;"-<<. La máquina diseñada por (idal pesa 39E /g en promedioJ los equipos mencionados entregan =EE /gG#ora a más de grano limpio, esa es la *ustificación para su peso. 5l prototipo diseñado tiene un peso de TE /g, tiene > mangos que facilitan su transporte a cargo de dos personas y además las dimensiones ;3.9 3.3 3 m< del prototipo permiten una fácil maniobrabilidadO. '6$'0 '!6'0 U 68!'66'0 -@'L ;9EE><, en su traba*o de investigación titulado 05S-:4 -6P17(5654 7) -40-:5478S @5'51 K!5' !15S!51 -4 P'H-S'4 -ndicaron que Ncuanto menos es el contenido de #umedad estos se encuentran más propensos a más daños por las altas fuerzas de impacto de batidores dinámicos instalados en tambor giratorio. ' su vez el Peso total de la trilladora de trigo reconstruido se redu*o de 3BEE /g a 3=EE /g mediante la me*ora de los batidores en tambor trillador y el daño grano en reconstruida trilladora redu*o cuatro veces. La eficiencia media de trilla se incrementó de VT VV en trilladora rediseñado. 'l rediseñar y volver a desarrollar la dirección del ventilador de escape del ventilador, la eficiencia media de limpieza del grano me*ora de VC,>> a VT,3T de eliminación de causar p&rdida de grano a trav&s de proceso de soplado de pa*a. Sistema de alimentación. "ultivo convencional utilizado en la trilladora causado muc#os accidentes mortales cada año. en la me*ora el sistema de alimentación de los cultiv os mediante el diseño, desarrollo y la fabricación de una nueva cinta transportadora, no sólo suave y uniforme se logró la tasa de alimentación a%n ingesta tambi&n se incrementó que la tasa de alimentación de grano convencional es decir, 9CCE/g G #ora. C. 5l a#orro de di&sel de 3.= l G # ;3? /K< media fue de seguroO.
'11507407 SM4"!5I , 6-1'40' 6'1245I , U SM4"!5I SM4"!5I ;9E3><, en su tesis profesional titulada 0iseño de un cabezal para máquina trilladora de granos finos ;avena, trigo y cebada< 1esalta que el sistema de traslado de material se Ndiseñó por entero debido a la imposibilidad de acoplamiento de otros mecanismos comerciales, ya que no se encontró una alternativa que estuviera dentro de las limitantes de espacio. 5l diseño final consistió en tres pares de cadenas de acarreo el cual logro un abastecimiento de material aceptable al sistema de pretrilla. "on respecto al diseño del sistema de accionamiento del cabezal, la elección de los sistemas de corte y traslado tratados anteriormente, permitió el uso de un mecanismo guiado por una sola cadena, reduciendo el n%mero de elementos a los componentes esenciales, permitiendo así que se aplique un mínimo de esfuerzo en su accionamientoO.
2"2 BASES T E
2"2"1 M6)+ -#)//+(,#+ Se parte de la definición máquina para poder interpretar las funciones que cumple dado que W"-'-74 6atE? Xp 9V? Xl 3E9?E Y la define de acuerdo a su función la cual es absorber energía de una clase y restituye energía de otra clase. 5n este caso absorbe energía como parte del traba*o de una persona y la restituye al sistema en forma de energía mecánica para que pueda accionar los mecanismos que la componen como en este caso sería al desgranador, despa*ador, sacaFpa*as y ventilador. Pero las maquinas en su totalidad desarrollan las labores que artesanalmente de realizan de forma automatizada por esa razón es importante describir las labores agrícolas que comprenden el proceso de cosec#a de los cereales. Labores 'grícolas+ F
S)'!+: "onsiste en cortar los tallos con espigas, utilizando de preferencia la #oz. ;)ig. 3.3<
F
G+5)//+(,: Su finalidad es secar los tallos, para ello se *untan en mano*os de tallos y se agrupan en forma piramidal. ;)ig. 3.9<
F
T#)//+: 5s separar el grano de la planta, mediante impacto y fricción. ;)ig.3.=<
F F
L)3)'+: 5s separar el grano de la pa*a broza ;venteado<. ;)ig. 3.>< A/3+*'+3)'-,: Para secar los granos #asta una #umedad comercial, estos son almacenados en depósitos adecuados.
)uente+ W "-'-74 (-0E>3 Xl 3E9?E Y ' sí los define 6alpartida 0e La "ruz ;9EEC, pp ?FB<. NLa trilladora es una máquina agrícola que sirve para desprender y separar los granos y semillas de la pa*a, mediante frotación y c#oques repetidos. Las trilladoras están formadas por un cilindro #ueco que gira a gran velocidad. Las primeras trilladoras tienen uno o más ventiladoresO. ;'larcón Porras, 9E3>, p. C< "omo se viene desarrollando el tema el traba*o es enfoca en las maquinas estacionarias las cuales casi en su totalidad son accionadas por un motor de combustión interna. La trilladora agrícola es una máquina mecánica que se la utiliza para desgranar o trillar ciertas clases de cereales mediante la frotación del cereal entre dos elementos mecánicos incorporados en dic#a máquina principalmente se los denomina cilindro desgranador y cóncavo. Los campesinos preparan el terreno denominado 5ra donde se colocaran la mies formando c#ozas o parvas que anticipadamente ya fueron cortadas con la #oz formando cargas de gavillas los campesinos acarrean en sus espaldas la mies #asta la era. NLa máquina rilladora ingresa a la 5ra y es posicionada en una parte plana apegada a la parva buscando que esta quede muy cerca de la tolva o mesa de
ingreso del cereal a la máquina, los *ornaleros van colocando las mies en la trilladora y parten empu*ando cargas pequeñas de gavilla por la tolva o boca de entrada a un cilindro y cóncavo desgranador donde se va triturando las mies y mediante una serie de pasos se va separando el cereal, la pa*a gruesa y delgada por tanto el grano trillado cae por gravedad #acia un reservorio para ser embolsado o ensacado y la pa*a sale por la parte posterior de la máquinaO. ;'larcón Porras, 9E3>, p. 3=< Pero tambi&n dentro de las maquinarias agrícolas podemos encontrar a las Segadoras integrales N5s la denominada cosec#adora integral ya que realiza una multiplicidad de acciones simultáneamente ;siega, trilla, aventado y clasificación de semillas<, a#orrando una cantidad muy grande de mano de obraO ;7rtiz y !ernanz 6artos, 3VTV, p. >E3< 5n el proceso de trillado implica el golpeo o garroteo, que se realiza cuando los granos están secos con una !umedad promedio que fluct%a entre los valores de 3EF3= esto se logra eponiendo a los rayos del sol granos de trigoGcebada con todo el tallo en una lugar cercano al que lo denominan N5raO el cual esta acondicionado para realizar esta labor y más tarde en el mismo lugar se realiza el trillado que muc#as veces se realiza golpeando, pisando o con ayuda de los animales y muc#as veces son las propias personas las que realizan esta tarea cuando la producción es muy pequeña. Luego de ello se procede con el venteado aprovec#ando la corriente natural del aire el cual logra separa los granos de la pa*a por densidad y finalmente una vez terminado el venteado lo almacenan para llevarlo a comercializar. ;Llangarí zaqui y @enalcázar Soria, 9E39, p.=>?<
2"2"2 P+#-'. F(+3'-+/'. (' /+ -#)//+(,#+ A!#8*,/+" 5n la maquinas rilladoras 'grícolas se compone básicamente de ? partes fundamentales así lo define ;'larcón Porras, 9E3>, pp. 39?F3=9< como lo son+ 'ccionador.Z 5s el que provee de energía mecánica al sistema para que puedan traba*ar todos los componentes en la mayoría de casos esta labor lo desempeña un motor de combustión interna. 0esgranador.Z :eneralmente construido de #ierro fundido y es montado con c#umaceras sobre la estructura la labor que esta parte desempeña es la de triturar y separar los granos de trigoGcebada del tallo y a su vez reducir la longitud del tallo en pequeñas pa*illas o com%nmente denominado broza este componente es com%nmente denominado 0esgranador y cóncavo. 0e este punto pasa a la siguiente etapa.
Fig. 2.1. Cilindro y Cóncavo de dientes Fuente: Ortiz-Cañavate J. (2009 !diciones "undi-#rensa "adrid$ %. &0'
0espa*ador y Saca pa*asZ 5stá conformado por re*illas a manera de escalones #ec#as con Latón. 5n el despa*ador y saca pa*as se separa el tallo del trigoGcebada que es largos directamente #acia la salida y los más pequeños a%n siguen circulando dentro de la máquina con*untamente con los granos. !asta donde los separan finalmente.
Figura 2.2. acudidor convencional de ca)allete Fuente: Ortiz-Cañavate J. (2009$ %. &12
V'-)/+(,#*)*/" 5l ventilador o ciclón en algunos casos la principal función que cumple es de separar las pequeñas fracciones del tallo y los restos de otras #ierbas que siempre acompañan a estos cereales. @astidor o soporte+ 5s la base de toda la máquina dado que esta es la que contiene todo el mecanismo que componen la trilladora.
Fig. 2.*. iste+a de li+%ieza en una +,uina estacionaria Fuente: Ortiz-Cañavete J. (2009$ %.&19
2"> BASES CONCEPTUALES 2">"1 P#)*)),. 4 '*+*),'. ' .' '3/'+#+ ' '/ ().', C)-)*+ (' + +#-8*/+ ' =/, 5'#-)*+/ Se tratará a los granos de los cereales como partículas las cuales se desplazaran en una corriente de aire luego de ser desgranadas en el cóncavo por el desgranador y la ecuación que rige su movimiento es+ M g(
du )− R + G= 0 dt
R=
G 2
V cr
J 0onde 1+ quedará definido como
2
( Va −u ) J 'sí lo presenta W "-'-74 (-0E>3 Xl 3E9?E Y, p.3=?
S).-'3+ (' 5'-)/+*) Para el caso específico de (-0'L @'I'L'1 ;9EE>< el sistema de ventilación está configurada por un ventilador con paletas rectilíneas inclinadas #acia atrás, del diagrama que se muestra se puede obtener los datos para determinar las dimensiones o parámetros para dimensionar el ventilador.
Figura 2.**. iagra+a de Cordier. elección del rotor centr/ugo.
Fuente: C343O5 60&1 7l 10280
N √Q
(elocidad especifica
"ifra de velocidad+ σ =
NH 0iámetro específico+ Ds=
"ifra de diámetro+ σ =
Nq=
H
0.75
+
Nq 157.8
0.25
√Q
Ds 0.536
P,-'*)+ (' ('3+(+ 5sta potencia será la que el operador subministre a la máquina de la misma forma como lo plantea ;(-0'L @'I'L'1, 9EE>, p.3=CF3>T<+ 1
PSUBMINISTRADA= ( P v + PT ) n
R'/+*) (' -#+.3).) 5s la relación de frecuencia de giro de cada uno de los componentes que estarán en rotación, ya que este parámetro nos permitirá determinar las rpm de cada componente, el diámetro del mecanismo que estará montado sobre el e*e para transmitir la rotación como polea, piñón de cadena, piñón de engrana*es, etc. ; 'rredondo Sánc#ez , 6iranda 6artínez y Sánc#ez Sánc#ez, 9E3>, p. 99< R=
N D = n d
0onde+ +
es la relación de transmisiónJ
+
son las revoluciones por minuto ;rpm< de la polea menorJ
+
son las revoluciones por minuto ;rpm< de la polea mayorJ
+
es el diámetro de la polea mayorJ
+
es el diámetro de la polea menor.
D).', (' /,. +#9,/'. Para determinar las dimensiones del árbol no solo basta con #acer los cálculos por estática si no tambi&n es necesario realizarlo por fatiga dado que es en este %ltimo donde se producen mayores fallas en los árboles.W "-'-74 1osEE Xl 3E9?E Y 5mplea las siguientes s ecuaciones para cada tipo de análisis.
τ max =
[( ) ( ) ] 2
σx
+ τx
2
1/ 2
2
0onde+ σ x=
τ x=
σx
Mf 0.1 xD
3
T 0.2 xD
3
+ 5sfuerzo 4ormal
τx
T : Mm!ntTrsr !n !" #r$" %
+ 5sfuerzo "ortante. D
Mf
+ 6omento fleionante.
+ 0iámetro de la sección 0el
Mrbol Para realizar el análisis por fatiga solo bastara con multiplicar a cada valor obtenido en este ítem por los valores de corrección de cada aspecto que se toma en cuenta.
2"2"@" P#,(**) (' *'9+(+" La siembra de cereales como trigo, cebada, quinua, etc., #a registrado un aumento considerable en los %ltimos años, dado que la siembra de estos cereales #a incrementado en las zonas alto andinas de !uancayo. 5n cuanto a la evolución a nivel departamental de la superficie cosec#ada y producción a diciembre del año 9E39, se tienen 3?3,V3? #ectáreas cosec#adas, con un crecimiento del >.>, así como una producción de 99B,3=? toneladas, con un incremento de ?.B con respecto al mismo periodo del año 9E33. Los departamentos con mayor producción y superficie cosec#ada son+ "a*amarca, La Libertad, 'ncas#, !uánuco, Piura y "uscoJ estos departamentos concentran al año 9E39, el CE.E de la producción a nivel nacional. (er cuadro que se muestra a continuación+
C+(#, N 2">: E5,/*) S'#=)*)' C,.'*+(+ $+% 4 P#,(**) $-%
Para determinar el calendario de producción, se tomó la producción mensual del año 9E39, resultando que entre los meses de *unio a septiembre se concentra la mayor producción de cebada con el T?.3 de la misma, y el mes de mayor producción es *ulio con el =>.9 de la producción nacional. (er gráfico 9.9 W"-'-74 6-43= Xp 33F39 Xl 3E9?E Y Gráfico Nº2.4: Calendario de Producción (%)
2"@ HIP
2" OPERACIONALIACI
MAQUINA TRILLADORA PARA CEBADA
Variable Independiente
Materia:Granos Limpios por un lado
Broza y paa por otro lado. Energía: !alor
Variable Dependiente
D'=))*),'. ,'#+*),+/'. 5l presente traba*o de investigación se compone de tres variables dependientes que son volumen de granos limpios, volumen de pa*a o broza y vibraciones mecánicas y la variable independiente máquina trilladora para trigo yGo cebada.
VI: M+)+ -#)//+(,#+ (' *'9+(+" La máquina trilladora de cebada es un sistema integrado por mecanismos con sistemas de transmisión, para e*ecutar el trillado y venteado del trigo yGo cebada. 5n el cual se obtendrán tres variables de salida que son volumen de granos limpios y volumen de broza.
VD1: P#,(**) (' !#+,. /)3)," 5s la variable que epresara la variación del peso de granos limpios los cuales variaran en respuesta a las variaciones de algunos componentes del sistema principal. 5l cual se medirá en /g producidos en un determinado tiempo mediante una balanza calibrada adecuadamente.
VD2: P#,(**) (' P++ , B#,+ 5s la variable que epresara la variación del volumen de pa*a o broza el cual variara en respuesta a las variaciones de algunos componentes del sistema principal. 5l cual se medirá en /g mediante una balanza calibrada adecuadamente.
CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACI
>"1 MJTODO DE IN VESTIGACI
3-,(, .).-' 36-)*, se caracteriza por estudiar el ob*eto de investigación y determinar sus elementos, sus reacciones y sus límites para determinar su estructura y la dinámica de su funcionamiento. 5l m&todo de investigación es sist&mico porque se considera la relación entre los componentes de la maquina compactadora y las entradas y salidas, que lo relacionan con las botellas de plástico. 5l diseño de la investigación es diseño factorial
4
2
o
2x 2x 2x 2
completamente aleatorio, cuyo esquema es+ "omo lo propone W"-'-74 5sp3> Xp V3 Xl 3E9?E Y
>"2 TIPO DE INVESTIGACI
plantea en W"-'-74 5sp3> Xp VE Xl 3E9?E Y la investigación tecnológica se caracteriza por aplicar el conocimiento científico para ayudar a solucionar los diferentes problemas de la sociedad y beneficien a la misma. 0e manera similar a como se presenta en el traba*o de W "-'-74 Lla39 Xl 3E9?E Y en donde emplea el diseño eperimental. >"> NIVEL DE IN VESTIGACI Xp VE Xl 3E9?E Y la investigación 'plicada tiene como propósito emplear resultados de la investigación eperimental para generar nuevas tecnología en la aplicación directa de soluciones de los problemas que se presenta en la sociedad.
>"> DISEKO DE LA INVESTIGACI
5l diseño que se empleó es el diseño factoriales 5perimentales ya que en este traba*o lo que se busco fue evaluar si la configuración yGo estructura de la maquina rilladora era la más apropiada para me*orar la productividad de cebada limpia, así lo mencionan W "-'-74 5sp3> Xl 3E9?E Y y W "-'-74 !er3E Xl 3E9?E Y. si se quisiera determinar eactamente el diseño especifico este será el
D).', =+*-,#)+/
2
2
como se vio en el traba*o que presento W "-'-74 Lla39 Xl
3E9?E Y. 5l cual tiene una representación matricial.
A1
A2
B2
A 1 B2
A 2 B2
B1
A 1 B1
A 2 B1
>"@ MUESTRA O UNIDAD DE OBSERVACI
*'9+(+ que se pretende diseñar. 0ado que fue en dic#a máquina en donde se realizó todas las eperimentaciones.
>"@ TJCNICAS E INS TRUMENTOS DE REC OLECCI"@"1 T*)*+. (' #'*,/'**) (' (+-,. . Se empleó la T*)*+ (,*3'-+/ para poder recabar información, obtener datos estadísticos, revisar otras investigaciones de las diferentes fuentes bibliografías y así se pudo plantear el plan de tesis. Pero además de ello tambi&n se empleó -*)*+ '38#)*+ en el desarrollo de la investigación por que se estuvo en contacto directo con el ob*eto de investigación realizando las observaciones y mediciones pertinentes. a que así lo menciona W"-'-74 5sp3> Xp 3EC,3ET Xl 3E9?E Y.
>"@"2 I.-#3'-,. (' #'*,/'**) (' (+-,." D,*3'-+/:
)ic#as bibliográficas
1evistas
0atos e información estadísticos.
E38#)*,.: Se emplearon los siguientes instrumentos de recolección+
7bservación
acómetro 0igital.
)leo metro
@alanzas.
6edidor de vibraciones digital.
"ronómetros.
5ncuestas
0ado que la metodología del (0- 999? sugiere emplear una lista de eigencias es por ello que se #iso uso de las encuestas y entrevistas con los pobladores y productores de cebada del aneo de !uacan.
>" PROCEDIMIENTO DE RECOLECCI
5l procedimiento que se empleó para la recolección de datos fue para elaborar la lista de eigencias el cual consistió en elaborar fic#as y encuestas las cuales fueron elaboradas en base a la metodología del (0- 999?. 'sí mismo para los datos estadísticos de la producción de cebada se empleó fic#as de lectura, como tambi&n para revisar traba*os de investigación realizados referentes al tema de diseño de máquinas trilladoras. Por otro lado cuando se realizó la evaluación del diseño de la maquina se #iso uso procedimiento en cual consistió en la medida directa de la variable dependiente y sus variación que presentaba con diferentes cambios en su configuración planteada inicialmente el cual nos ayudó a comprobar que la configuración tanto como el diseño adoptados fueron los adecuados para conseguir el me*or resultado.
L+ -*)*+ (' #,*'.+3)'-, (' (+-,. que se empleó en la investigación fue la '.-+(8.-)*+ )='#'*)+/ dado que esta t&cnica nos permitió #acer la validación la #ipótesis planteada en la eperimentación. 'sí lo menciona 5spinoza 6ontes ;9E3>< "on ayuda de una tabla de recolección de datos de la eperimentación se obtuvieron datos que serán analizados con estadística inferencial la tabla se presentará más adelante en la unidad ?
CAPÍTULO IV DETERMINACION DEL CONCEPTO DE SOLUCION
CRITERIOS PONDERADOS Para llevar a cabo una evaluación cualitativa de los conceptos de solución y determinar así la solución óptima se #ace una matriz de solución.
V+/,# -*)*, Las categorías y sus ponderaciones son+ "riterio 3 ;"3<+ )abricación sencilla "riterio 9 ;"9<+ )acilidad para el transporte "riterio = ;"=<+ Sencillez de operación "riterio > ;"><+ 0emanda de energía "riterio ? ;"?<+ 0emanda de mantenimiento "riterio B ;"B<+ @a*o nivel de ruido. Los criterios están valorizados entre 3 como mínimos y ? como máimo. (alor t&cnico [ suma ponderada G Punta*e máimo
T+9/+: M+-#) (' ('*).)
V+/,# '*,3)*, "osto admisible de fabricación [ \ >?E "osto ideal [ E.C "osto 'dm. [ \ =3? (alor económico [ "osto ideal G Precio aproimado
T+9/+: V+/,# '*,3)*,
EVALUACION DE LOS CONCEPTOS DE SOLUCION T+9/+: E5+/+*) *,*'-,. (' .,/*)
La alternativa más cercana al ideal es el *,*'-, (' .,/*) > y por lo tanto esta será la solución óptima.
@"2
DETERMINACION DEL DISENO PRELIMINAR
"omo ya identifico la alternativa de solución óptima ;"S =< que comprende+ un mecanismo de accionamiento de > barras y una rueda volante, un alimentador vibratorio y un sistema de ventilación que comprende un ducto rectangular y un ventilador. 5n esta sección se pretende eplorar de manera más detallada cada uno de los componentes para poder identificar claramente sus características y poder #acer uso de cada uno de ellos de la manera más eficiente. Los temas que se trataran son+
Las consideraciones que se tuvieron para seleccionar la fuente de energía de la máquina.
La fisiología yde capacidad del #ombre ;serde#umano< para producir potencia. 5l desarrollo la selección y análisis los componentes de un prototipo eperimental, en el siguiente orden+ ducto, ventilador, alimentador vibratorio y mecanismo de accionamiento. "omo un preámbulo al análisis de los componentes se detalla información importante del comportamiento de una partícula en un flu*o de aire, lo cual permitirá seleccionar una velocidad e inclinación correcta para la corriente oblicua de aire.
SELECCION DE LA FUENTE DE ENERGIA "omo se indicó en la sección WSíntesis, fuente de energíaY la energía para el accionamiento de la maquina debía ser la disponible en una zona rural, estas fuentes de energía son dos+ La #umana y la animal. 5n la investigación para determinar el estado del arte se encontró diversos equipos agrícolas estacionarios
de clase artesanal, todos ellos accionados por el #ombre, la *ustificación del uso de esta fuente energ&tica no se pudo encontrar de manera específica en la bibliografía pero se pudo #acer un análisis cualitativo del caso. La energía animal es aprovec#ada ;en procesos sencillos< mediante dos tipos de desplazamiento+ longitudinal ;arado< o circular ;molienda de cana, trapic#e< en ambos la energía es transmitida a la maquina mediante la tracción de alg%n componente. Para nuestro caso, la maquina a accionar es estacionaria y aprovec#ar esta fuente de energía, que ofrece una potencia superior a la #umana, requiere de grandes dimensiones lo cual dificulta el transporte y además para poder obtener una gran velocidad se requiere de un sistema de transmisión bastante comple*a y costosa.
FISIOLOGIA Y CAPACIDAD ENERGETICA DEL HOMBRE 5l t&rmino N#ombreO #ace referencia al ser #umano no necesariamente solo al ser de seo masculino, puesto que la maquina debe poder ser accionada tambi&n por una mu*er. 5n el traba*o de (idal 21 se #ace una análisis detallado del tema y se #ace referencia a un eperimento dinamom&trico que se #izo para poder establecer la potencia suministrada por el #ombre ;personas que #abitan a =EEE msnm< se concluyó que se puede suministrar un máimo de C? K usando piernas o brazos, por separadoJ sin embargo se indica que un traba*o coordinado de las etremidades puede producir mayor potencia. 5n el manual agrícola del Proyecto !errandina 1 encontramos una lista de operaciones y sus respectivos gastos energ&ticos ;ver tabla 9.>< donde se aprecia actividades agrícolas cotidianas, por ello se toma como valido la información de que un varón en traba*os pesados puede desarrollar entre C? a ?EE atts de potencia seg%n la intensidad del
traba*o, las mu*eres y niños solo pueden entregar el C? y ?E respectivamente, de la potencia del varón.
@">
FISIOLOGIA Y CAPACIDAD ENERGETICA DEL HOMBRE G"#$% DE E&E'GI" DE "LG(&"# %)E'"!I%&E# M"&("LE# %)E'"!I*& G"#$% DE E&E'GI" +,!ortarunárbol /0 !aminaren1erraarada 20 #egartrigo 30 )alear 20 trasladar405g 40
La separación de la mezcla ocurre cuando la componente vertical del flu*o de aire es menor que la velocidad critica de la partícula. "onsiderando que u] y uy] son las componentes de la velocidad u], del diagrama de velocidades se obtiene la epresión+
@"@
SISTEMA DE VENTILACION
5l sistema de ventilación comprende al ducto y al ventilador, para el tema de tesis 5n particular el diseño del ducto y el del ventilador no está necesariamente orientada a ser el más eficiente, es decir a la configuración que menor cantidad de perdidas ofrezca. Pues es de mayor inter&s mantener una configuración global de la máquina, lo más compacta posible para que pueda ser transportada fácilmente, además de mantener un costo de fabricación bastante ba*oJ sin embargo por tener una cantidad de mezcla pequeña a traba*ar, el caudal que transite por el ducto y la velocidad del flu*o son pequeños en comparación con valores usuales en la industria, esto da una venta*a que será aprovec#ada pues las p&rdidas son proporcionales al caudal y a la velocidad del flu*o. Por lo dic#o anteriormente el ducto será diseñado para una manufactura sencilla y de ba*o costo, al igual que el ventilador. 5stas consideraciones incrementaran las perdidas en ambos componentes pero se espera que est&n dentro de un valor mane*able ;lo cual se comprueba<. 5l diseño correcto para el ducto y el ventilador implica un análisis bastante profundo de su interrelación con el fluido ;aire en este caso< este análisis queda fuera del tema de tesis, sin embargo ambos componentes son diseñados teniendo en cuenta factores determinantes, como+ turbulencias, perdidas en cambios de sección, fuerza de empu*e, perfil aerodinámico, flu*o secundario, etc. odos estos factores serán abordados oportunamente y se eplicara a detalle el mane*o de los mismos para el diseño. 5l ventilador será del tipo aial pues su fabricación es sencilla y poco costosa además de otras venta*as que ofrece frente a un ventilador centrífugo. Los otros
factores que *ustifican la elección son detallados en la sección 9.B.>.9 más adelante.
@"@
DUCTO PARA AIRE
La función primordial del ducto es conducir y dirigir el flu*o de aire, como se indicó en la sección 9.B.> su forma será la que favorezca una configuración compacta de la maquina global. 5s importante diseñar primero el ducto para poder definir un caudal de traba*o y poder estimar las perdidas ;caída de presión<. Se describe la configuración del ducto ;ver )ig. 9.=B<+ Se elige una entrada circular de =?E mm de diámetro ;pues el ventilador será aial< la cual será corroborada con el diámetro del ventilador, luego #ay un cambio a sección cuadrada de lado de =?Emm y una longitud de 9?E mm, por la configuración de la maquina el ducto deberá tener un codo rectangular de VEo, el cual estará seguido por un tramo rectangular inclinado. Por la cantidad de mezcla a traba*ar y teniendo en cuenta las dimensiones a la salida del ducto en la maquina venteadora de (idal W93Y se estima que la salida del ducto deberá ser de >EE mm de anc#o por BE mm de alto.
TRAMO 1 'proimadamente a la mitad de este tramo estará ubicado el ventilador, esto es preferible a la entrada y a la salida, para dar espacio al fluido para que se ordene, si la entrada fuera rectangular las esquinas serian zonas de turbulencia indeseables, el espacio mínimo anterior a un cambio de sección se recomienda que sea igual a la mitad del diámetro. Para la entrada se aprecia distintas configuraciones, siendo las más sencilla de fabricar y con unas perdidas moderadas la entrada en campana ^ 5l valor de L5 para ese tipo de entrada es de L5 [ >.? m W?, CCY ^ 5l tramo recto que sigue a la entra a la campana tiene una L5 [ E.9? m
TRAMO 2 5ste tramo es un codo rectangular de VE_ que tiene como salida y entrada una sección cuadrada de lado de =?E mm. La principal fuente de p&rdidas en este tramo es la turbulencia que ocurre a la salida de la cara interior del codo, esta
zona se vuelve turbulenta, la solución a este problema es usar un codo de (enturi que básicamente es una reducción a la salida del codo, esta solución es costosa pues su fabricación es complicada Líneas de flu*o aproimado a trav&s de codos con radios pequeños. 7tra posible solución es utilizar planc#as deflectoras ubicadas en el codo mismo "orrección del flu*o por planc#as deflectoras. 5sta solución es muy económica y no implica gran complicación en la manufactura del codoJ sin embargo la ubicación de estos deflectores en el codo es muy importante, pues de lo contrario podrían empeorar la turbulencia. La mínima cantidad de dos deflectores es bien usada para la relaciones de 1Gd que muestran en la )ig.
CAPÍTULO V RESULTADOS DE LA INVESTIGACI
"1 PRESENTACI
"> PRUEBA DE HIP
CONCLUSIONES
3. 9. =. >. ?. B.
)). -i -i Ll H/
RECOMENDACIONES
3. 9. =. >.
!# Ss Ss H/
BIBLIOGRAFÍA
3. 9. =. >.
$* $* H/ H/
ANEOS
