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DISEÑO DE UNA DESPULPADORA DE CAFÉ
DEWIN ANTONIO DIAZ HERNANDEZ
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
2016
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DISEÑO DE UNA DESPULPADORA DE CAFÉ
DEWIN ANTONIO DIAZ HERNANDEZ
Proyecto integral de grado para optar el título de
INGENIERO MECÁNICO
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
2016
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3
Nota de aceptación
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
Presidente del Jurado
Ing. Gabriel Bonilla Pardo
________________________________
Jurado 1
Ing. Francisco Javier González
________________________________
Jurado 2
Ing. Jairo Andrés Coral
Bogotá D.C Julio 2016
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4
DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD
Presidente de la Universidad y Rector del Claustro
Dr. JAIME POSADA DIAZ
Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos
Dr. LUIS JAIME POSADA GARCÍA-PEÑA
Vicerrector Académico y de Posgrados
Dra. ANA JOSEFA HERRERA VARGAS
Secretario General
Dr. JUAN CARLOS POSADA GARCÍA-PEÑA
Decano General Facultad de Ingenierías
Ing. JULIO CESAR FUENTES ARISMENDI
Director del Programa de Mecánica
Ing. CARLOS MAURICIO VELOZA VILLAMIL
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5
Las directivas de la Universidad de
América, los jurados calificadores y
el cuerpo docente no son
responsables por los criterios e ideas
expuestas en el presente
documento. Estos corresponden
únicamente al autor.
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6
DEDICATORIA
En primera instancia dedico este trabajo de grado a Dios, que
siempre me ha dado
ese sentimiento de alegría serenidad y tranquila en las
adversidades.
A mis padres Antonio José Díaz y María Libia Hernández quienes
siempre me han
guiado, aconsejado y apoyado en esta etapa de mi vida que esta
próxima a
culminar.
A mis hermanas Kelly Díaz y Nathaly Díaz quienes me sirvieron de
guía en todo
este proceso y por su apoyo incondicional.
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7
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al plantel de docentes de la universidad de América,
quienes con su
conocimiento y experiencia me han guiado para formarme como un
profesional.
Al ingeniero Gabriel Bonilla, quien con su tiempo y dedicación
asesoro mi trabajo
de grado.
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8
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCION 21
1. ANALISIS DE LA TÉCNICA ACTUAL 21 1.1 ORIGEN DEL CAFÉ 23 1.2
BENEFICIO DEL CAFÉ 24 1.3 PRODUCCION DE CAFÉ MEDIANTE TECNICA DE
LAVADO 25 1.3.1 Sembrado 25 1.3.2 Cosecha 25 1.3.3 Despulpado 25
1.3.4 Remoción del mucilago 26 1.3.5 Lavado 27 1.3.6 Secado 28
1.3.7 Venta 28 1.4 MÉTODOS PARA DESPULPAR EL CAFÉ 28 1.4.1
Despulpadora de disco Mecánico 29 1.4.2 Despulpadora de cilindro
horizontal 29 1.4.3 Despulpadora de cilindro vertical 30 1.4.4
Modulo 31
2. DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL 33 2.1 DESCRIPCION
ECONOMICA 33 2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 33 2.2.1 Cantidad de café
cosechado 34 2.2.2 Cantidad de café despulpado 34 2.2.3 Café de
calidad regular 35
3. PARÁMETROS BÁSICOS Y REQUERIMIENTOS FUNCIONALES 36 3.1
PARÁMETROS BÁSICOS 36 3.1.1 Caracterización del producto 36 3.1.2
Calidad del despulpado 36 3.1.3 Consumo de agua 37 3.1.3 Ubicación
37 3.2 REQUERIMENTOS FUNCIONALES 37 3.2.1 Capacidad 37 3.2.2
Suministro eléctrico 38 3.2.3 Material del equipo 38
4. PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS 39 4.1 ALTERNATIVAS 39 4.1.1
Alternativa 1. Despulpadora de cilindro cónico vertical 39
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9
4.1.2 Alternativa 2. Despulpadora de discos 40 4.1.3 Alternativa
3. Despulpadora de cilindro horizontal 41 4.2 COMPARACIÓN DE
ALTERNATIVAS 42 4.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA 43 4.3.1 Análisis con
el método de QFD 43 4.3.2 Requerimientos del cliente 43 4.3.3 Nivel
de importancia de los requerimientos 44 4.3.4 Características
técnicas 44 4.3.5 Correlacion 45
5. DISEÑO DETALLADO 48 5.1 CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR 48
5.2 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA POLEA 52 5.3 CÁLCULO DEL ENGRANAJE 59
5.3.1 Selección del material de los engranes 66 5.4 CÁLCULO DEL EJE
DEL CILINDRO DE DESPULPADO 66 5.4.1 Cálculo de la cuña 77 5.4.2
Cálculo y selección de los rodamientos 79 5.5 CÁLCULO DE LA TOLVA
82 5.5.1 Cálculo de la densidad del café 82 5.5.2 Cálculo del
espesor de la tolva 86 5.5.3 Cálculo del eje de alimentación 88 5.6
CÁLCULO DEL CILINDRO DE DESPULPADO 89 5.6.1 Determinación del
diámetro del cilindro 90 5.6.2 Cálculo del espesor del cilindro de
despulpado 90 5.7 DISEÑO DEL PECHERO 95 5.7.1 Selección de los
tornillos de graduación del pechero 96 5.8 CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA
97 5.8.1 Soldadura 103 5.9 SISTEMA ELÉCTRICO 107 5.9.1 Componentes
eléctricos 107 5.9.2 Cálculos eléctricos 108
6. MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN 112
7. MANUALES 121 7.1 MANUAL DE SEGURIDAD Y SALUD OCUPACIONAL 121
7.1.1 Vibración y sonido 121 7.1.2 Riesgo mecánico 122 7.1.3 Riesgo
biológico 122 7.1.4 Riesgo eléctrico 123 7.1.5 Riesgo ergonómico
124 7.1.6 Riesgo microclima 125 7.1.7 Seguridad del operador 125
7.2 MANUAL DE MANTENIMIENTO 126
-
10
7.3 MANUAL DE OPERACIÓN 129 7.4 MANUAL DE INSTALACIÓN 130 7.4.1
Montaje de la estructura 131 7.4.2 Sistema de despulpado 131 7.4.3
Sistema de trasmision 132
8. IMPACTO AMBIENTAL 133 8.1 MATRIZ DE LEOLPOLD 134 8.1.1
Medición del impacto 134 8.1.2 Importancia del impacto 134 8.2
ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL 136 8.2.1 Medidas de mitigación
136
9. ANÁLISIS FINANCIERO 137 9.1 EVALUACIÓN DEL PROYECTO 137 9.1.1
Inversión inicial 138 9.1.2 Costo de operación 140 9.1 3 Utilidades
del proyecto 141 9.2 ANÁLISIS FINANCIERO 141 9.2.1. Valor presente
neto 141
10. CONCLUSIONES 143
11. RECOMENDACIONES 144
BIBLIOGRAFÍA 145
-
11
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Matriz QFD Selección de alternativas 46
Tabla 2. Factor de servicio 53
Tabla 3. Perfil de correa 54
Tabla 4. Diámetro de polea motriz 55
Tabla 5. Especificación de la polea motriz 56
Tabla 6. Factor de correlación por ángulo de contacto 58
Tabla 7. Factor de correlación por longitud 59
Tabla 8. Selección de engrane y piñón 61
Tabla 9. Tabla de resumen 77
Tabla 10. Tamaño de la cuña en función del diámetro del eje
78
Tabla 11. Duración recomendada para rodamientos 80
Tabla 12. Medición del peso en un volumen determinado 83
Tabla 13. Dimensiones de la tolva 86
Tabla 14. Máquinas de despulpado de café en el mercado. 90
Tabla 15. Diámetro del cilindro 90
Tabla 16. Tabla de resultado con diferente diámetro 95
Tabla 17. Esfuerzo cortante y esfuerzo sobre soldadura 106
Tabla 18. Tamaño mínimo para cordón 107
Tabla 19. Calibre del cable 110
Tabla 20. Matriz de Leolpold 135
Tabla 21. Inversión del proyecto 138
Tabla 22. Inversión del estudio de ingeniería 139
Tabla 23. Inversión de adecuación e instalación 140
Tabla 24. Inversión total 140
Tabla 25. Costo de operación 141
Tabla 26. Beneficio del despulpado 141
-
12
LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1. Área de cultivo 33
Cuadro 2. Calidad de despulpado 36
Cuadro 3. Altura de los botones 38
Cuadro 4. Comparación de alternativas 43
Cuadro 5. Nivel de importancia de los requerimientos del cliente
44
Cuadro 6. Propiedades físicas y mecánicas del café 48
Cuadro 7. Relación de carga y duración 81
Cuadro 8. Facto de diseño 93
Cuadro 9. Ruta de inspección 127
Cuadro 10. Actividad de limpieza 128
Cuadro 11. Actividad de lubricación 128
Cuadro 12. Actividad de ajuste 129
Cuadro 13. Actividad de inspección 129
Cuadro 14. Proceso de operación 130
Cuadro 15. Marco jurídico 133
Cuadro 16. Importancia del impacto 134
Cuadro 17. Horizonte del proyecto 137
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13
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Cosecha 26
Figura 2. Despulpado 26
Figura 3. Fermentado 27
Figura 4. Lavado 27
Figura 5. Secado 28
Figura 6. Despulpadora de disco mecánico 29
Figura 7. Despulpadora de cilindro horizontal 30
Figura 8. Despulpadora de cilindro cónico vertical 31
Figura 9. Modulo 32
Figura 10. Descripción del proceso 34
Figura 11. Cantidad de café cosechado 34
Figura 12. Café pasilla 35
Figura 13.Despulpadora de cilindro cónico vertical 40
Figura 14. Despulpadora de disco 41
Figura 15. Despulpadora de cilindro horizontal 42
Figura 16. Punto crítico de despulpado 50
Figura 17. Distancia entre centro de los engranajes 60
Figura 18. Factor de geometría 66
Figura 19. Resistencia a la fatiga 67
Figura 20. Fuerza sobre el eje en la polea 69
Figura 21 .Fuerzas sobre el engrane 69
Figura 22. Longitud del eje 70
Figura 23. Diagrama de cuerpo libre X-Z 71
Figura 24. Fuerza cortante X-Z 72
Figura 25. Momento flexionante X-Z 72
Figura 26. Diagrama de cuerpo libre Y-Z 73
Figura 27. Fuerza cortante Y-Z 74
Figura 28. Momento flexionante Y-Z 74
Figura 29. Cuñero de trineo 77
Figura 30. Especificaciones del rodamiento 81
Figura 31. Angulo de la tolva 82
Figura 32. Volumen de la tolva 84
Figura 33. Carga y restricción en la tolva 87
Figura 34. Factor de seguridad de la tolva 88
Figura 35. Deformación 88
Figura 36. Cilindro Horizontal 89
Figura 37. Elemento general de esfuerzos 91
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14
Figura 38. Área de contacto 91
Figura 39. Angulo de entrada de la cereza de café al pechero
96
Figura 40. Ajuste del pechero 96
Figura 41. Tipo de rosca 97
Figura 42. Diagrama de cuerpo libre 97
Figura 43. Diagrama de cortante 98
Figura 44. Diagrama de momento 99
Figura 45. Perfil tubular cuadrado 100
Figura 46. Tipo de fijación 101
Figura 47. Tipo de soldadura 104
Figura 48. Breaker de tres polos 108
Figura 49. Diagrama de fuerza 111
Figura 50. Diagrama de control 111
Figura 51. Diseño preliminar de la carcasa 112
Figura 52. Restricción de la carcasa 113
Figura 53. Carga de la tolva 113
Figura 54. Cargas en el soporte de la chumacera 114
Figura 55. Carga en la sujeción de la chumacera 114
Figura 56. Carga en el soporte del pechero 115
Figura 57. Análisis de deformación 115
Figura 58. Refuerzo lateral 116
Figura 59. Análisis con el refuerzo lateral 116
Figura 60. Refuerzo en la entrada de la tolva 117
Figura 61. Análisis de deformación con los refuerzos 117
Figura 62. Factor de seguridad 118
Figura 63. Carga dinámica 118
Figura 64. Torque en el eje motriz 119
Figura 65. Análisis de deformación 119
Figura 66. Factor de seguridad 120
Figura 67. Riesgo auditivo 122
Figura 68. Riesgo mecánico 122
Figura 69. Riesgo biológico 123
Figura 70. Riesgo eléctrico 124
Figura 71. Riesgo ergonómico 124
Figura 72. Riego microclima 125
Figura 73. Equipo de seguridad 125
Figura 74. Caja de control 130
Figura 75. Sujeción del motor 131
Figura 76. Ensamble del eje de despulpado 132
Figura 77. Ensamble eje de alimentación 132
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15
LISTA DE ECUACIONES
Pág.
Ecuación 1. Potencia del motor 51
Ecuación 2. Relación de velocidad de las poleas 54
Ecuación 3. Diámetro de la polea conducida 55
Ecuación 4. Distancia entre centros 56
Ecuación 5. Longitud de la correa 57
Ecuación 6.Angulo de contacto de la banda 57
Ecuación 7. Numero de bandas 57
Ecuación 8.velocidad de salida del engrane 62
Ecuación 9. Distancia entre centros de los engranes 62
Ecuación 10. Velocidad de línea de paso 62
Ecuación 11. Carga trasmitida 63
Ecuación 12. Esfuerzo de flexión en el piñón 63
Ecuación 13. Esfuerzo de flexión del engranaje 65
Ecuación 14. Esfuerzo de contacto 65
Ecuación 15. Resistencia a la fatiga real 67
Ecuación 16. Torque 68
Ecuación 17. Fuerza neta de impulsión 68
Ecuación 18. Diámetro del eje 74
Ecuación 19. Longitud de la cuña 78
Ecuación 20. Carga dinámica 80
Ecuación 21. Densidad aparente 83
Ecuación 22. Volumen de la tolva 85
Ecuación 23. Presión hidrostática 86
Ecuación 24. Esfuerzo normal 92
Ecuación 25. Esfuerzo permisible 92
Ecuación 26. Esfuerzo cortante permisible 93
Ecuación 27. Esfuerzo cortante de falla 93
Ecuación 28. Esfuerzo de Von Mises 94
Ecuación 29. Módulo de sección 100
Ecuación 30. Módulo de sección requerido 100
Ecuación 31. Esbeltez 101
Ecuación 32. Constante de la columna 102
Ecuación 33. Carga critica 103
Ecuación 34. Carga admisible 103
Ecuación 35. Factor de geometría 104
Ecuación 36. Fuerza cortante 105
Ecuación 37. Fuerza cortante vertical 105
-
16
Ecuación 38. Momento de torsión 105
Ecuación 39. Fuerza por torsión 106
Ecuación 40. Fuerza total 106
Ecuación 41. Longitud del cordón de soldadura 106
Ecuación 42. Eficiencia 108
Ecuación 43. Potencia eléctrica 109
Ecuación 44. Valor presente neto 142
-
17
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Catalogo de motores 147
Anexo B. Propiedades mecanicas y fisicas del acero ASI SAE1020
149
Anexo C. Propiedades mecanicas y fisicas del acero ASI SAE 1040
151
Anexo D. Catalogo de rodamientos SKF 153
Anexo E. Propiedades del acero inoxidable ASI SAE 304 155
Anexo F. Propiedades mecanicas de la fundicion ASTM 20 157
Anexo G. Catalogo de tornillos 159
Anexo H. Propiedades mecanicas del acero estructural ASTM A 500
161
Anexo I. Catalogo de perfilcuadrado 163
Anexo J. Cotizaciones 165
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18
GLOSARIO
ARÁBICA: arbusto de la familia de las rubiáceas nativo de
Etiopía.
BOURBON: variedad de café arábiga, procedente de la isla
bourbon.
BOTONES: pequeñas muescas de 2 a 3 milímetros en forma de
semicírculo, que
arrastra la pulpa de café al momento de despulpar.
CARGA: denominación que hace referencia al modo de vender el
café en las
cooperativas de acopio equivalente a (125 kg).
CAFICULTOR: persona dedicada al cultivo de café.
CATURRA: tipo de café mutado de la variedad borbón, de porte
bajo y procedente
del estado Minas Gerais en Brasil.
CEREZA: fruto que se obtiene de la mata de café, de piel roja y
pulpa jugosa.
COSECHA: conjunto de frutos recogidos en la época del año en la
que se
encuentra maduro.
COLOMBIA: tipo de café desarrollado por Cenicafe, resistente a
la roya.
DESPULPADO: retiro de la pulpa del fruto a través de un medio
mecánico o
manual.
FERMENTADO: proceso catabólico de oxidación incompleta que
retira el mucilago
del grano de café.
GRANO: es la semilla de la planta, que se encuentra en el
interior de la cereza.
HECTÁREA: medida utilizada para determinar una superficie
equivalente a diez
mil metros cuadrados en el sistema internacional.
MESOCARPIO: es la parte carnosa de la fruta encargada de
proteger la semilla de
la fruta.
MICROORGANISMO: organismo vivo unicelular capaz de generar o
producir
enfermedades.
https://es.wikipedia.org/wiki/Arbustohttps://es.wikipedia.org/wiki/Rubi%C3%A1ceahttps://es.wikipedia.org/wiki/Etiop%C3%ADa
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19
MUCILAGO: membrana azucarada que se encuentra encerrada en el
casco
semirrígido del grano de café.
MUNICIPIO: entidad administrativa que puede agrupar una o varias
localidades,
que puede hacer referencia a ciudad, pueblo o aldea.
PASILLA: grano de café que presenta defectos como daño por la
broca, manchas
negras, partido o astillados.
PECHERO: Elementó que sirve para comprimir y dirigir el curso de
la cereza de
café al momento de despulparse.
PERGAMINO: cascara que cubre y protege el grano de café.
PERICARPIO: es el conjunto de capas encargadas de proteger la
semilla de algún
agente externo.
PRECIPITACIÓN: cantidad de líquido que cae de la atmosfera a la
superficie de la
tierra en forma de lluvia, nieve o granizo.
PROLIFERACIÓN: multiplicación o reproducción de formas
similares.
PULPA: tejido celular vegetal, obtenido en el proceso de
despulpado que sirve
para el abono de los cultivos.
ROYA: es una enfermedad que se puede presentar en los cafetales
por la
presencia de un hongo Hemileia vastatrix el cual infecta las
hojas del cafeto.
SECADO: proceso donde se expone al sol el grano de café hasta
alcanzar una
humedad del 10 al 12%.
SEMBRADO: proceso de colocar semillas con el objetivo que
germinen y se
desarrollen la plantas.
TRILLADO: es el proceso donde se deja secar la cereza de café,
para luego
retirarla y obtener el grano de café.
VEREDA: subdivisión de un territorio de los diferentes
municipios que conforman
el país.
-
20
RESUMEN
El desarrollo del diseño de la maquina despulpadora de café, se
realizó bajo las
necesidades que presenta las tres fincas ubicadas en la vereda
primavera
municipio de Nocaima Departamento de Cundinamarca, luego de
realizar un
estudio de sus necesidades, se planteó una solución que ayudara
a aumentar la
producción y disminuir los defectos en el grano de café,
causados por el uso de
una maquina ineficiente y obsoleta.
Inicialmente se planteó una metodología y un proceso de búsqueda
de
información para realizar un análisis de la situación, teniendo
en cuenta toda la
información recopilada, se plantearon una serie de alternativas,
donde se
seleccionó la opción más idónea para dar solución a los
problemas planteados de
forma eficiente y reduciendo al máximo el impacto ambiental y
los costos.
Después que se selecciona la alternativa más viable, se realizan
los cálculos
pertinentes para el diseño detallado de la máquina, se partió de
un análisis de
fuerza, para seleccionar los perfiles del material y de esta
manera realizar el
modelado computacional de la máquina.
Una vez modelada la máquina, se realizó la simulación para
identificar los puntos
críticos, se reforzó la estructura para garantizar la rigidez de
la máquina, a su vez
se realizó los manuales que contiene la información para su
operación, montaje,
mantenimiento y lo más importante las normas de seguridad que
protegen la
integridad del operario. Por último se evaluó el impacto
ambiental y la evaluación
financiera, que determino la viabilidad del proyecto y sus
beneficios
PALABRAS CLAVE: Diseño, despulpadora, café.
.
-
21
INTRODUCCION
Colombia es un país en vía de desarrollo, ante lo cual gran
parte de la población
habita en zonas rurales, por lo que su sustento se basa en la
venta y consumo de
lo cosechado en sus tierras, gracias a los diversos climas y la
variedad de altitud
en las tierras se pueden sembrar muchos productos, pero pocos
son tan
reconocidos como el café nacional, el cual se destaca a nivel
internacional no solo
por su original sabor, sino también por su olor y la calidad de
su grano.
Como se mencionó anteriormente, Colombia es conocida por la
producción de
uno de los mejores cafés del mundo, actualmente el alza de los
precios del café y
la cotización de este en el mercado internacional, ha ocasionado
que los
caficultores aumenten la producción, esto se ve en manifiesto
con el incremento
de hectáreas sembradas, este es el caso de los campesinos
ubicados en la
vereda primavera Municipio de Nocaima departamento de
Cundinamarca, más
específicamente de las fincas (La Guaca, La María y Los Juanes),
que decidieron
aumentar la producción, sin embargo este aumento conlleva a la
adquisición de
equipos acorde a su nuevo nivel de productividad.
El cultivo y beneficio del café es un proceso que consta de
varias etapas, cada
uno de ellos es de vital importancia en la calidad del producto
final, dadas las
condiciones de la finca y posterior al análisis de la situación
realizado, se definió
que el despulpado es el proceso donde mayores inconvenientes y
daños al fruto
se producen, por tal razón en este proyecto se busca diseñar una
maquina
despulpadora de café que cumpla con las necesidades
planteadas.
Este diseño se desarrolló teniendo presente cada uno de los
objetivos
establecidos con el siguiente orden:
Investigar los avances y las técnicas empleadas en el mundo en
la producción de
café.
Realizar un diagnóstico del problema y sus causas.
Establecer los requerimientos funcionales, parámetros técnicos y
las limitaciones
de la máquina.
Establecer posibles alternativas de solución y su selección.
Desarrollar el diseño detallado de la máquina.
Elaborar los planos de conjunto, fabricación y eléctricos.
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22
Elaborar comprobaciones con un software de elementos finitos a
los sistemas
críticos.
Diseñar manuales de mantenimiento, montaje y seguridad.
Evaluar el impacto ambiental que genera la fabricación y el
funcionamiento de
una despulpadora de café.
Realizar la evaluación financiera del proyecto.
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23
1. ANALISIS DE LA TÉCNICA ACTUAL
El café se ha posicionado como una bebida de consumo masivo a
nivel mundial,
no solo por su sabor sino por su efecto estimulante en el
organismo, ya que por su
alto contenido de cafeína mantiene la mente en un estado activo
haciendo las
personas más proactivas durante largas jornadas de actividad. El
cultivo de este
fruto se produce a gran escala en Colombia, por lo cual nuestro
país es uno de los
mayores exportadores en el mundo, causando que sea una parte
vital de la
agricultura, siendo este el sustento de muchas familias
campesinas.
1.1 ORIGEN DEL CAFÉ
El origen de este proviene de Etiopia, donde luego fue importado
a Europa por
comerciantes venecianos, se creía que tenía propiedades
medicinales. La llegada
del café a América se remonta hacia el siglo XVIII1 donde se
conoce la primera
tienda de café en New York, que luego se expandió por las
grandes ciudades.
Debido a su auge comenzó el desarrollo de cultivos por todo
centro América, esto
se debió a las condiciones geográficas, las cuales hacían de
este un lugar propicio
para su siembra.
La llegada del café a Colombia se cree, fue finales del siglo
XVIII desde las
Guayanas Francesas, sin embargo, los indicios históricos señalan
a los jesuitas de
haber traído la semilla del café a la Nueva Granada en 17302, no
se sabe con
exactitud cómo fue la llegada de este al país, sin embargo los
primeros cultivos de
café empezaron en la zona oriental del país. No fue hasta
mediado del siglo XIX
que la industria del café se volvió atractiva para los
hacendados colombianos, esto
debido a la gran expansión que tuvo la economía en el mundo. Hoy
en día
Colombia exporta al mundo más de 12 millones de sacos de café3 y
es conocido
por su calidad.
Existen gran variedad de café en el mundo, en Colombia el café
es cien por ciento
de variedad arábica, de este se deriva diferentes tipos como el
caturra, bourbon y
variedad Colombia, este último desarrollado por CENICAFE, el
cual cuenta con un
gran resistencia a la roya y representa 609.149,64 hectáreas de
las 869.157,9 de
café sembrado en Colombia.
1 Historia del café. International coffee Organization.
Recuperado http://www.ico.org
2 Una bonita historia. café de Colombia. Recuperado:
http://www.cafedecolombia.com
3 Exportadores. Café de Colombia. Recuperado:
http://www.cafedecolombia.com
4 Tipo de café y superficie sembrada. asoexport. Recuperado:
http://www.asoexport.org
-
24
1.2 BENEFICIO DEL CAFÉ
El café se puede procesar de dos formas, sea por el proceso de
trillado o de
lavado, de esto depende su calidad. La diferencia entre ambos
es: el café trillado
se realiza luego de la selección de la cereza ya madura para
luego exponerla al
sol para su secado y posteriormente eliminar la cascara, el
segundo método es el
lavado, aquí una vez cosechada la cereza de café se deposita en
una tolva donde
se realiza el despulpado, una vez finalizado este procedimiento
el grano
despulpado se somete a un fermentado, por último es lavado y es
extendido al sol
para su secado. Este procedimiento al ser más complejo que el
trillado da como
resultado un producto de calidad superior y por ende un precio
más alto, lo que
produce mayores ganancias al caficultor.
Para entender un poco más las variables en la calidad del
producto es necesario
entender que el procedimiento más importante del proceso de
lavado es el
despulpado, pero antes se debe comprender que afecta el precio
del grano a nivel
comercial, principalmente este valor depende de tres
variables:
- Procedencia: esta variable corresponde al lugar de cosecha del
grano o puerto
del cual embarco para su exportación.
- Defectos: a pesar del cuidado de los caficultores en las
diversas etapas de la
cosecha y producción, los granos pueden presentar defectos,
tales como, granos
rotos, manchados o impurezas.
- Características: para un producto de calidad superior se
tienen en cuenta
algunas características básicas como el tamaño del grano, su
color, uniformidad,
sabor y olor.
Al realizar un breve análisis de las variables que afectan el
precio del producto
observamos que desde el punto de vista del agricultor, la
procedencia ni las
características son controladas por él, ya que la procedencia es
constante para el
campesino, este no varía el lugar de los cultivos, lo mismo
ocurre con las
características, que en su mayoría dependen del lugar de
procedencia. De esta
manera la única variable que el productor podría controlar son
los defectos, la
mayoría de ellos ocurren durante el proceso de despulpado,
causados por la
máquina, los principales son:
Granos rotos: este es un problema muy grave, ya sea que el grano
presente una
rotura parcial o total, al tener un grano roto este puede
infectar de hongos los
sanos.
-
25
Pedazos de cascara en el pergamino: además de manchar el grano,
los pedazos
de cascara pueden afectar la fermentación reduciendo de esta
manera la calidad
del producto, este problema puede ser solucionado con un
excelente lavado de los
granos.
Está establecido internacionalmente que para evaluar estos
defectos se debe
tomar una muestra de cada saco y contar el número de cada uno de
estos
defectos, esta se cuenta para determinar el precio del saco de
café.
Como podemos observar el precio del producto depende del uso de
una buena
máquina de despulpado, una que no genere tantos defectos
reduciendo la calidad
del café y las ganancias del caficultor.
1.3 PRODUCCION DE CAFÉ MEDIANTE TECNICA DE LAVADO
Como se ha mencionado anteriormente el proceso de lavado es el
más complejo y
a su vez más provechoso para el agricultor, ya que es el que más
le produce
ganancias a nivel económico. Este proceso consta de varias
etapas, de las cuales
depende la calidad del producto.
1.3.1 Sembrado. En Colombia, la planta de café es de tipo
arábico, este necesita
de unas condiciones especiales para ser un producto de calidad.
Principalmente
este tipo de plantas necesitan estar entre 500- 1500 metros
sobre el nivel del mar
con una precipitación de 2000 y 3000 milímetros anuales y una
temperatura entre
17-23 grados Celsius5. Las condiciones geografías de Colombia
hacen de este un
lugar propicio para el sembrado, adicionalmente se encuentra en
el trópico de
cáncer y la línea del ecuador, zona donde se encuentra la mayor
parte de
producción de café en el mundo.
1.3.2 Cosecha. La cosecha del café se realiza de manera manual
como se
muestra en la figura 1, este proceso empieza, una vez que la
planta de café está
cargada y el fruto se encuentre de un color cerezo. Los
operarios tradicionalmente
almacenan el producto en pequeños canastos que llevan alrededor
de la cintura.
1.3.3 Despulpado. Es la etapa más importante del proceso, ya que
es donde se
produce la gran mayoría de los defectos que reducen la calidad y
precio del
producto, el despulpado remueve la pulpa del café, dicho proceso
se realiza por
medio de un dispositivo mecánico como se muestra en la figura 2,
el producto
entra a la tolva de la maquina donde es comprimido con un
cilindro separando la
pulpa del grano de café. Este procedimiento se debe realizar
entre 10 y 12 horas
5 Guía Técnica Para El Cultivo De Café. Recuperado:
http://www.icafe.go.cr/
-
26
después de haberse cosechado, esto con el fin de conservar las
propiedades del
café.
Figura 1. Cosecha
Fuente: CENICAFE. Cartilla 20 beneficio del café [en
línea] Disponible en internet: http://www.cenicafe.org/
Figura 2. Despulpado
Fuente: CENICAFE. Cartilla 20 beneficio del café [en
línea] Disponible en internet: http://www.cenicafe.org/
1.3.4 Remoción del mucilago. Una vez retirada la pulpa del café,
se procede a
remover el mucilago, esta es la baba que queda adherida en la
superficie del café.
La forma tradicional de remoción es por el método de
fermentación, que
normalmente se realiza dejando en agua el café durante un
periodo entre 10 y 12
http://www.cenicafe.org/
-
27
horas como se observa en la figura 3, dependiendo de la
temperatura y altura en
la que está ubicada la finca.
Figura 3. Fermentado
Fuente: CENICAFE. Cartilla 20 beneficio del café [en línea]
Disponible en internet: http://www.cenicafe.org/
1.3.5 Lavado. El lavado del café se realiza para retirar
totalmente el mucilago del
grano, este proceso se realiza luego de tomar una muestra del
fruto fermentado y
frotarlo suavemente con las palmas de las manos hasta sentir una
textura áspera.
El lavado se debe realizar con agua limpia para evitar manchas
sobre el grano y
sabor fermentado, como se muestra en la figura 4. El número de
lavados que se
realizan tradicionalmente, cumpliendo con los estándares y las
normas son cinco,
este proceso se lleva a cabo en tanques donde se agita por medio
de una paleta
construida con PVC que ayudan a remover totalmente el mucilago,
debe hacerse
de manera uniforme y con fuerza.
Figura 4. Lavado
Fuente: CENICAFE. Cartilla 20 beneficio del café [en línea]
Disponible en internet:
http://www.cenicafe.org/
http://www.cenicafe.org/http://www.cenicafe.org/
-
28
1.3.6 Secado. El secado se realiza para evitar la posible
proliferación de
microorganismos que puedan afectar la calidad del café.
Tradicionalmente se
realiza a temperatura ambiente. Las fincas productoras de café
en Colombia
realizan el secado de manera artesanal, exponiendo el café al
sol en cajas
fabricadas en madera como se muestra en la figura 5, este método
además de ser
efectivo, es amigable con el medio ambiente y económico.
Figura 5. Secado
Fuente: CENICAFE. Cartilla 20 beneficio del café [en
línea] Disponible en internet: http://www.cenicafe.org
1.3.7 Venta. Luego de realizar el proceso ya mencionado, el
caficultor lleva la
carga, que equivale a 125 kg a cooperativas de acopio de café,
donde se realiza la
venta de este. El café es comprado de acuerdo a los precios
internacionales, el
valor de este depende de su calidad y es examinado de acuerdo a
su tamaño,
color y humedad.
1.4 MÉTODOS PARA DESPULPAR EL CAFÉ
Existen dos métodos de despulpado de café, por vía húmeda o en
seco, estos dos
procesos se realizan de acuerdo a las condiciones geográficas y
tipo de café que
se haya cultivado. Tradicionalmente en Colombia el proceso de
despulpado en
seco no es utilizado, sin embargo en otras partes del mundo este
proceso es
usado, ya que reduce hasta en un 90% el consumo de agua, esto es
de gran
ayuda en fincas que se encuentran alejadas de fuentes hídricas,
no obstante el
café obtenido a partir de este método no es un producto de alta
calidad y sus
propiedades son muy inferiores en comparación a los cafés de
exportación.
El proceso de despulpado en seco se realiza una vez se haya
dejado secar la
cereza de café por un periodo de 15 a 20 días dependiendo de las
condiciones
http://www.cenicafe.org/
-
29
climáticas, una vez realizado esto, se pasa a una máquina que
remueve la
cascarilla del grano de café.
Por tradición, en Colombia, el proceso de despulpado se realiza
por el método
húmedo lo que permite obtener café de mejor calidad, esto se
realiza por medio de
equipos mecánicos que tienen como función arrancar la pulpa del
grano por medio
de la presión que se ejerce entre la parte fija de la máquina y
la parte en
movimiento.
1.4.1 Despulpadora de disco Mecánico. Las despulpadoras de
discos retiran la
pulpa por medio de un disco que gira y exprime la cereza de café
contra la barra
despulpadora, esta barra puede ser calibrada de acuerdo al
tamaño del fruto, de
esta manera se previene el daño del grano. La pulpa y el grano
son separados por
medio de una placa (pechero) que dirige el curso de cada uno de
ellos como se
muestra en la figura 6. Las despulpadoras de disco pueden contar
hasta con
cuatro discos con una capacidad de una tonelada de café
despulpado por hora
cada uno, su rendimiento puede disminuir con el tiempo con
respecto a las
despulpadoras de cilindro.
Figura 6. Despulpadora de disco mecánico
Fuente: COOPSOL. Técnicas y sistemas de despulpado. [En línea].
Citado septiembre 8,
2015. Disponible en internet
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-
el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado
1.4.2 Despulpadora de cilindro horizontal. Con esta máquina la
extracción de la
pulpa de café se realiza por la acción del cilindro ubicado
horizontalmente, el cual
exprime la cereza contra una placa despulpadora, que puede ser
graduada de
acuerdo al tamaño de café. La pulpa es separada del grano por
medio de una
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpadohttps://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado
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30
placa (pechero) que dirige el curso de este a un recipiente como
se muestra en la
figura 7. Este tipo de máquinas tienen las ventajas de su fácil
funcionamiento y
mantenimiento. Figura 7. Despulpadora de cilindro horizontal
Fuente: COOPSOL. Técnicas y sistemas de despulpado. [En línea].
Citado septiembre 8,
2015. Disponible en internet
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-
beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado
1.4.3 Despulpadora de cilindro vertical. El despulpado se
realiza por medio de la
presión que se ejerce a la cereza de café, la pulpa cae a través
del espacio entre
el canal y el tambor como se observa en la figura 8, mientras
tanto los granos
permanecen dentro del canal para luego ser recolectados. Debido
a su diseño la
despulpadora de cilindro vertical puede procesar granos de café
de diferentes
tamaños, sin embargo también es la que presenta mayor daño a los
granos si no
se calibra adecuadamente.
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpadohttps://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado
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31
Figura 8. Despulpadora de cilindro cónico vertical
Fuente: COOPSOL. Técnicas y sistemas de despulpado. [En línea].
Citado
septiembre 8, 2015. Disponible en internet
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-
1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado/
1.4.4 Modulo. Colombia es reconocida a nivel mundial por ser el
productor de uno
de los mejores cafés del mundo, esto ha impulsado a la industria
agrícola
Colombiana a la innovación tecnológica con la implementación de
equipos
eficientes y ecológicos como se muestra en la figura 9. Los
módulos son máquinas
que desarrollan varias tareas en el proceso del beneficio del
café, esto equipos
además de despulpar, clasifican y lavan. Son de gran utilidad y
son empleados
para procesos de gran escala, en un rango de 4500 y 5000 kg hora
de
despulpado, generando una mayor ganancia al caficultor, sin
embargo este tipo de
equipos pueden llegar a ser muy costosos lo que hace imposible
que el caficultor
promedio cuenten con los medios necesarios para adquirirlo.
https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado/https://escoopsol.wordpress.com/seccion-1-en-la-finca/1-2-el-beneficio-humedo/1-2-2-tecnicas-y-sistemas-de-despulpado/
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Figura 9. Modulo
Fuente: PENAGOS. Beneficio ecológico de café ecoline 800. [En
línea].
Citado septiembre 9, 2015. Disponible en internet
http://www.penagos.com/producto/beneficio-ecologico-de-cafe-ecoline-
800/
http://www.penagos.com/producto/beneficio-ecologico-de-cafe-ecoline-800/http://www.penagos.com/producto/beneficio-ecologico-de-cafe-ecoline-800/
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33
2. DIAGNOSTICO DE LA SITUACION ACTUAL
El desarrollo de este proyecto, radica en el problema que se
viene presentando en
tres fincas (La Guaca, La María y Los Juanes) ubicadas en la
vereda Primavera,
municipio de Nocaima, las cuales se dedican al cultivo de café y
caña de azúcar.
Actualmente el proceso que se realiza con el café no es el
adecuado por la falta
de equipos, especialmente en el despulpado, fase del proceso
donde se han
identificado la mayor parte de problemas como: demora en el
despulpado, daño al
grano del café, desgaste al caficultor y mayor consumo de agua
en comparación
a las maquinas actuales.
Todos estos inconvenientes dan como resultado que el caficultor
no tenga las
ganancias que podría tener y por ende le resulta imposible
realizar la inversión
necesaria para poder optimizar el proceso y hacerlo más
eficiente.
2.1 DESCRIPCION ECONOMICA
La principal actividad económica que se realiza en estas tres
fincas es la siembra
de café y caña de azúcar, estos cultivos representan la única
fuente de ingresos
para los propietarios. El área que representan estas tres fincas
equivale a 7
hectáreas, donde se tiene distribuido la siembra de los cultivos
como se muestra
en el cuadro 1, la cantidad de plantas de café sembradas
equivalen
aproximadamente a 1700. Actualmente los procesos agrícolas se
desarrollan de
manera manual, reduciendo los beneficios económicos generados
por esta
actividad.
Cuadro 1. Área de cultivo
Cultivo Área
(Hectáreas)
Café 3
Caña de azúcar 3
Otros 1
2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
El proceso que se realiza por parte de los caficultores ubicados
en esta zona del
municipio de Nocaima Cundinamarca, se conoce como ¨proceso de
lavado¨. Este
proceso se realiza en cuatro etapas, las cuales consisten en:
cosechar, despulpar,
lavar y secar, como se muestra en la figura 10, tomaba en la
finca Los Juanes.
-
34
Figura 10. Descripción del proceso
2.2.1 Cantidad de café cosechado. Durante el año se presentan
dos cosechas de
café, esto ocurre una vez se haya cumplido el periodo de
floración y el caficultor
procede a recolectar el fruto maduro, normalmente cada mata de
café cosechada
produce aproximadamente cinco kilogramos de cereza de café, como
se muestra
en la figura 11, tomada en la finca La Huaca, lo cual equivale a
17000 kg al año y
8500 kg por recolección, aproximadamente. El procedimiento se
realiza de manera
manual y el recolector trata de minimizar lo más posible la
cantidad de café verde
recolectado en cada cosecha, hasta un porcentaje que no supere
el 2.5%, de esta
forma se garantiza que sea un producto de calidad.
Figura 11. Cantidad de café cosechado
2.2.2 Cantidad de café despulpado. La cantidad de café
despulpado, actualmente,
es de 3400 kg aproximadamente en el año, lo cual equivale a 1700
kg por
cosecha, sin embargo esta cantidad tiende a variar debido a la
falta de un equipo
-
35
que realice el proceso de forma rápida, segura, ecológica y que
no genere
desgaste físico al caficultor, el cual reduce su capacidad de
trabajo después de
una larga jornada, por lo cual esta no se realiza de manera
constante y uniforme.
2.2.3 Café de calidad regular. Para obtener un café de buena
calidad se debe
realizar cada uno de los procesos de forma correcta, sin embargo
en la fase de
despulpado se presenta el problema de la ausencia de una máquina
de alta
capacidad para despulpar el café recolectado, por lo que este
procedimiento se
debe realizar de manera manual, retardando el proceso y
afectando las
características del café. Como consecuencia el caficultor vende
su producto a
precios más bajos por tratarse de café de baja calidad o también
llamado ¨café
pasilla¨, como se muestra en la figura 12, generando pérdidas
económicas.
Figura 12. Café pasilla
-
36
3. PARÁMETROS BÁSICOS Y REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
Para el desarrollo de la máquina despulpadora de café, se deben
tener en cuenta
todas las posibles variables externas e internas que pueden ser
relevantes para su
buen funcionamiento, ya que en ingeniería cualquier error de
cálculo, por más
mínimo que sea puede resultar en una falla funcional de la
máquina, con lo cual
esta puede resultar obsoleta. De esta manera se elabora los
planos de fabricación,
los manuales de operación y mantenimiento claros y exactos.
3.1 PARÁMETROS BÁSICOS
La calidad del café depende de varios factores, tanto en la
recolección como en
los procesos consecuentes, en el caso del despulpado se deben
tener en cuenta
cada uno de los parámetros básicos, los cuales nos determinaran
la
caracterización del producto de acuerdo a las normas
establecidas en esta
industria.
3.1.1 Caracterización del producto. El objetivo del diseño de
esta máquina es
realizar el proceso de despulpado de manera eficiente,
reduciendo el consumo de
agua, aumentando la producción de café despulpado, maltratando
lo menos
posible el grano, reduciendo al máximo la cantidad de defectos
posibles y obtener
un café de alta calidad teniendo en cuenta los estándares y
normas de producción
de café.
Como se tiene un valor de la cantidad de café cosechado en estas
tres fincas se
puede realizar una máquina que esté acorde a la demanda de los
agricultores,
agilizando el proceso, haciéndolo a su vez más limpio y
reduciendo los tiempos de
despulpado para aprovechar al máximo las propiedades de la
cosecha.
3.1.2 Calidad del despulpado. La calidad del despulpado de la
maquina debe ser
acorde a los requerimientos estipulados en la norma NTC 2090
como se muestra
en el cuadro 2.
Cuadro 2. Calidad de despulpado
Descripción Porcentaje (%)
Pulpa en el café despulpado < 2
Granos sin despulpar < 1
Granos mordidos < 0.5
Granos trillados < 0.5
Fuente: NORMA TÉCNICA COLOMBIANA (2090). Maquinaria
agrícola despulpadora de café
-
37
3.1.3 Consumo de agua. Actualmente la cantidad de agua utilizada
para el
proceso de despulpado es exagerada e innecesaria, esto se debe a
que la
maquina empleada no cuenta con la tecnología necesaria para
reducir el
consumo. La cantidad de agua empleada es de 24 litros por
minuto, esto se
produce gracias a que se emplea una manguera de media pulgada
que va directo
a la tolva, con el fin de limpiar la zona de despulpado y evitar
que se atasque la
máquina, causando que el proceso sea artesanal y poco eficiente.
Con el diseño
de la maquina se espera que esta funcione sin la utilización de
agua, gracias a
que la maquina va ser alimentada por medio de un motor eléctrico
que contara con
la potencia necesaria para que trabaje de forma constante y
evite cualquier
obstrucción.
3.1.3 Ubicación. La máquina despulpadora de café va estar
localizada en la
vereda Primavera en el Municipio de Nocaima, sitio donde las
condiciones
geografías son ideales para la siembra de un café de buena
calidad.
Adicionalmente la maquina se va ubicar en un sitio estratégico
donde va suplir la
demanda de las tres fincas ya mencionadas.
3.2 REQUERIMENTOS FUNCIONALES
Con el diseño de esta máquina se busca reducir el tiempo de
despulpado y
aumentar la producción de café de buena calidad en las fincas
anteriormente
mencionadas, de esta manera se tecnifica el proceso de
despulpado generando
mayores ganancias al pequeño caficultor.
Para lograr esto se deben tener en cuenta diversos factores de
diseño que afectan
la máquina, algunos de estos son:
- Cantidad de producto que procesara - Materiales a utilizar -
Tipo de energía a utilizar en la maquina 3.2.1 Capacidad. Durante
el año se presenta dos cosechas, cada una de ellas con
una cantidad aproximada de 8500 kg de cereza de café, cada
cosecha de estas
pasa por varios procesos, uno de ellos es el despulpado. La
máquina debe
despulpar esta cantidad de café en un tiempo entre 10 y 12 horas
después de
haberse recolectado, lo que equivale en un promedio de 708 a 850
kg/hora, de
esta manera se previene algún tipo de fermentación por parte de
la pulpa, que
pueda afectar la calidad del café. Adicionalmente la maquina
debe despulpar el
café sin afectar su estructura de acuerdo como lo establece la
norma NTC 2090.
-
38
3.2.2 Suministro eléctrico. Por el tipo de sistema que el diseño
presenta debe
tener un suministro de energía eléctrico, del mismo modo se debe
garantizar una
alta facilidad de conexión, partiendo que en el lugar de
operación hay cobertura
eléctrica, la maquina debe tener un suministro trifásico, que
alimente al motor, por
lo que el sistema eléctrico debe cumplir con las siguientes
condiciones: corriente
alterna, con un voltaje de 220 V (trifásico), con una frecuencia
de 60 Hz. Todo
esto con el fin de facilitar al máximo la operación de la
máquina.
3.2.3 Material del equipo. Para el diseño de la máquina, los
materiales a utilizar,
en la cubierta del cilindro serán cobre electrolítico o acero
inoxidable. De acuerdo
al material seleccionado, los botones tendrán la siguiente
altura como se observa
en el cuadro 3.
Cuadro 3. Altura de los botones
Material Altura (mm)
Cobre electrolítico 2,5 – 3
Acero inoxidable 2,0 – 3
Fuente: NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
(2090). Maquinaria agrícola despulpadora de
café.
-
39
4. PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
El diseño de la maquina se desarrolla de acuerdo a la necesidad
del problema y el
diagnóstico realizado con anterioridad. El proceso inicia con el
planteamiento de
una serie de alternativas de solución, las cuales van a ser
analizadas para
determinar la opción más viable, teniendo en cuenta los diversos
factores
planteados con anterioridad.
4.1 ALTERNATIVAS
Cada una de las alternativas planteadas, se evaluaron de acuerdo
a su
funcionalidad, de esta manera se tuvo en cuenta sus ventajas y
desventajas, para
así seleccionar la que mejor se ajuste a la solución del
problema.
4.1.1 Alternativa 1. Despulpadora de cilindro cónico vertical
Esta despulpadora
cuenta con un sistema de rotación vertical cónico como se
muestra en la figura 13,
lo cual permite disponer de un mayor número de chorros y
despulpar diferentes
tamaños de cerezas de café. El sistema de alimentación de la
maquina se hace de
manera manual por parte del operario, la cereza de café es
vertida por la parte
superior de la máquina, una vez realizado el despulpado el
mesocarpio y
pericarpio son recolectadas para su debido procesamiento como
abono para los
cultivo. Los principales elementos que componen esta alternativa
son:
- Cilindro cónico vertical
- Camisa en acero inoxidable
- Botones de 2-3 mm
- Tres chorros de salida
- Motor eléctrico o gasolina
-
40
Figura 13.Despulpadora de cilindro cónico vertical
Entrada del producto
Polea motriz
Polea conducida
Salida del grano de café
tolva
Cilindro cónico vertical
Motor
pechero
4.1.2 Alternativa 2. Despulpadora de discos El sistema de
despulpado de la
maquina cuenta con un disco de acero y un solo chorro de salida
como se muestra
en la figura 14. El proceso de alimentación de la maquina va ser
de manera
manual por parte del operario, que se encargara de verter la
cereza de café por la
parte superior o tolva de la máquina, el desperdicio generado
una vez realizado el
proceso será recolectado y tratado para luego utilizarlo como
abono. Los
principales elementos que compone la maquina son:
- Un disco en acero inoxidable
- Botones de 2 a 3 mm
- Un chorro de salida
- Motor eléctrico
-
41
Figura 14. Despulpadora de disco
E-1
Entrada del producto
Motor
Tolva
Disco
Polea motriz
Polea conducida
Salida del grano de café
pechero
4.1.3 Alternativa 3. Despulpadora de cilindro horizontal El
sistema encargado de
despulpar la cereza de café cuenta con un cilindro horizontal
montado en un eje
en acero como se muestra en la figura 15, este sistema es
suministrado por un
motor eléctrico, gasolina o diésel, cuenta con dos salidas o
chorros. Su sistema de
trasmisión puede ser por correa o por cadena. El sistema de
alimentación es de
manera manual depositada desde la parte superior de la máquina,
a medida que
se va despulpando los residuos son extraídos para luego ser
tratados y
posteriormente utilizados como abono. Los principales elementos
que compone
esta alternativa son:
- Cilindro horizontal
- Camisa en cobre electrolítico
- Una sola camisa
- Dos chorros de salida
-
42
- Motor eléctrico, gasolina o ACPM
- Botones de 2,5 a 3 mm
Un solo pechero
Figura 15. Despulpadora de cilindro horizontal
Entrada del producto
Motor
Tolva
Cilindro horizontal
Polea motriz
Salida del grano de café
pechero
Cilindro
Polea conducida
4.2 COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS
Una vez planteadas las posibles alternativas de diseño y las que
se encuentran
disponibles en el mercado, se realiza una comparación para
seleccionar la
solución más viable, que cumpla con los requerimientos y
satisfaga las
necesidades del caficultor. En el siguiente cuadro 4, se expone
los principales
parámetros a tener en consideración:
-
43
Cuadro 4. Comparación de alternativas
Parámetro Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3
Capacidad (café despulpado) 850 kg/Hora 850 kg/Hora 850
kg/Hora
Fuente de energía
-Eléctrica -Gasolina
-Eléctrica
-Eléctrica -Gasolina -A.C.P.M
Instrumentación
Botón de encendido y
apagado
Botón de encendido y
apagado
Botón de encendido y
apagado
Sistema de despulpado
Cilindro cónico vertical
Discos Cilindro
horizontal
Numero de chorros 3 1 2
Material de la camisa Acero
inoxidable
Acero
inoxidable
Cobre
electrolítico
4.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA
La selección de la alternativa, se realizó por medio del método
QFD (Despliegue
de la función de la calidad), se evaluó cada uno de los aspectos
establecidos por
este método y se escogió la alternativa ganadora.
4.3.1 Análisis con el método de QFD. El método QFD fue
desarrollado en la
década de los 60 del siglo XX en Japón, este método es utilizado
para la mejora
de calidad y la selección de alternativas partiendo desde los
requerimientos del
cliente. Él concepto de funcionamiento de la matriz QFD parte de
la relación de los
requerimientos del cliente (RC) con las características técnicas
(CT) necesarias
para satisfacer la necesidades. Esta relación de RC y CT se
representa en una
matriz donde los RC van de manera vertical y los CT en forma
horizontal, la matriz
QFD trae como beneficio resultados más exactos, optimizando los
procesos y
mejorando la calidad de productos.
4.3.2 Requerimientos del cliente. El desarrollo de la matriz QFD
tiene como
principio establecer los requerimientos del cliente, en nuestro
proceso de selección
de la maquina despulpadora de café, se establecieron las
principales necesidades
que se presentan en la fase del proceso de despulpado, dichos
requerimientos
son:
Mayor cantidad de café despulpado por hora
-
44
Fácil manejo de operación
Reducción de daños en los granos de café
Costos bajos de mantenimiento
Despulpado de diferentes tamaños de las cerezas de café
4.3.3 Nivel de importancia de los requerimientos. Para
establecer el nivel de
importancia de los requerimientos del cliente, se le asignó una
puntuación
priorizando los ítems establecidos. De tal forma se obtuvo un
valor cuantitativo que
nos facilitó la toma de la decisión más adecuada.
Los valores de ponderación para establecer el nivel de
importancia (NI) van en
una escala del 1 al 5 donde 1 es el (mínimo nivel de
importancia) y (5 es el
máximo nivel de importancia) como se observa en el cuadro 5.
Cuadro 5. Nivel de importancia de los requerimientos del
cliente
Requerimientos del cliente Nivel de importancia
Mayor cantidad de despulpado de café por hora 5
Fácil manejo de operación 4
Reducción de daños en los granos de café 5
Bajo costo de mantenimiento 2
Despulpado de diferentes tamaños de los cerezas de café
4
4.3.4 Características técnicas. La selección de la alternativa
debe estar acorde a
los requerimientos establecidos por el cliente, sin embargo para
cumplir de
manera satisfactoria estos requerimientos, se deben evaluar las
características
técnicas de cada una de las alternativas. Para establecer estas
características
técnicas se debe tener los parámetros de funcionalidad y diseño
de cada una de
las alternativas planteadas, de esta manera se hará una
evaluación para
establecer cual cumple de mejor manera los requerimientos del
cliente.
Tipo de motor
-
45
Sistema de despulpado
Sistema de control
Numero de chorros
Material de la camisa
4.3.5 Correlacion. En la matriz desarrollada, se observa que las
filas indican los
requerimientos del cliente (el que) y las columnas conforman las
características
técnicas (el cómo). Esta correlación se hace para establecer una
puntuación y
seleccionar la alternativa más viable dependiendo del resultado
obtenido, la
obtención de los resultados se hace a partir de la escala de
correlación.
La escala de correlación nos indica la relación de los RC y CT,
si la relación es
fuerte se indica con el 9, si es media se indica con el 3 y si
es débil se coloca el
número 1 esto según el método japonés, una vez establecido la
relación
procedemos a calcular la importancia absoluta teniendo en cuenta
el nivel de
importancia, por ejemplo: Las CT del sistema de despulpado de la
primera
alternativa tiene valores 9,3,1,9,3 y 9 estos valores se
multiplican por el nivel de
importancia de los RC (9x5), (3x3), (1x4), (9x5), (3x2) y (9x4),
posteriormente se
suman y obtiene el primer valor, como se observa en la tabla 1,
este
procedimiento se repite con cada uno de los ítems hasta obtener
el valor total de
la alternativa.
-
46
Tabla 1. Matriz QFD Selección de alternativas
Alternativa 1. Despulpadora de cilindro
vertical. Alternativa 2. Despulpadora de disco.
Alternativa 3. Despulpadora de cilindro
horizontal.
Característica
técnicas
Requerimientos
del cliente Niv
el de
import
ancia
Tip
o m
oto
r
(elé
ctr
ico o
gasolin
a)
Cili
ndro
cónic
o
vert
ical
On/o
ff
Ma
teria
l de la
cam
isa
Tre
s c
horr
os
Tip
o m
oto
r
(elé
ctr
ico
)
Dis
co d
e a
cero
On/o
ff
Ma
teria
l de la
cam
isa
Un c
horr
o
Tip
o m
oto
r
(elé
ctr
ico g
asolin
a
o A
CP
M)
Cili
ndro
horizonta
l
On/o
ff
Ma
teria
l de la
cam
isa
Dos c
horr
os
Mayor cantidad de café
despulpado por hora 5 3 9 1 1 9 3 3 1 1 1 3 9 1 1 3
Fácil manejo de operación
4 3 3 3 1 1 3 3 3 1 9 3 3 3 1 3
Reducción de daños en los
granos de café 5 1 9 1 3 3 1 3 1 3 1 1 9 1 9 3
Bajo costo de
mantenimiento 2 3 1 1 9 1 3 9 1 3 1 3 3 1 3 3
Despulpado de diferentes
tamaños de las cerezas de
café 4 3 9 1 1 1 3 9 1 1 3 3 9 1 1 3
Importancia absoluta 50 140 28 46 70 50 96 23 34 60 50 144 28 64
60
Total 334 263 346
Los resultados obtenidos en la matriz QFD, definirá la
alternativa adecuada para solucionar los requerimientos del
cliente, bajo los parámetros técnicos de diseño.
-
47
De acuerdo al resultado obtenido con la matriz QFD, las
alternativas número 1 y 3
son las más adecuadas para dar solución al problema, sin embargo
la alternativa 1
se descarta por sus altos costos de fabricación, seleccionando
la alternativa
número 3, de este modo se concluye que según los criterios y
especificaciones de
diseño, la opción que mejor satisface las necesidades del
cliente, es la
despulpadora de café de cilindro horizontal.
-
48
5. DISEÑO DETALLADO
A la máquina que se seleccionó de las alternativas propuestas,
se le realizó el
diseño de los diferentes sistemas de funcionamiento, de acuerdo
a los parámetros
establecidos y cumpliendo con las normas de calidad.
5.1 CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR
Para determinar la potencia necesaria para mover el sistema, se
determinó la
fuerza necesaria para despulpar una cereza de café, la fuerza
ejercida dependerá
de los días de maduración (DDA) y el porcentaje de humedad (CV),
como se
muestra en el cuadro 6 y del diámetro polar y ecuatorial del
café, como se muestra
en el cuadro 7.
Cuadro 6. Propiedades físicas y mecánicas del café
Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL. Evaluación de propiedades físicas
y
mecánicas del fruto de café [En línea]. Citado septiembre 29,
2015. Disponible en
internet http://www.revistas.unal.edu.co/
http://www.revistas.unal.edu.co/
-
49
Cuadro 7. Dimensiones ortogonales y diámetro característico.
Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL. Evaluación de propiedades físicas
y mecánicas del fruto
de café [En línea]. Citado septiembre 29, 2015. Disponible en
internet
http://www.revistas.unal.edu.co/
Datos de entrada:
Si la masa promedio de una cereza de café es de se tendría
la
cantidad de cerezas de café equivalente a de café
recolectado.
Cantidad de café despulpado
Dónde:
-
50
A una velocidad de 300 rpm, la maquina despulpara
( )
Con este resultado, la producción de despulpado en 12 horas
sería
Se tiene como resultado, que la demanda de café despulpado
cumple
satisfactoriamente con el tiempo establecido en el numeral
(3.2.1).
Para determinar la potencia requerida para el sistema, se
realizó un análisis en el
punto más crítico, como se muestra en la figura 16.
Figura 16. Punto crítico de despulpado
Dónde:
-
51
La potencia será:
Ecuación 1. Potencia del motor
Dónde:
Dónde:
( )
La potencia obtenida va ser igual:
-
52
La potencia de diseño obtenida es de , se seleccionó un motor
comercial
de y por lo tanto el cálculo de los elementos de la maquina se
realizaron con esta potencia.
5.2 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA POLEA
El cilindro de despulpado de café, gira a una velocidad de 300
rpm, la velocidad de
salida del motor eléctrico es de 1800 rpm con una potencia de ,
se acoplo un sistema de trasmisión por polea que reducirá la
velocidad con la cual el sistema
funcionara de manera adecuada, según la especificación de
diseño.
Cálculo y selección de la polea motriz y conductora
Dónde:
El factor de servicio se tomó de acuerdo a la tabla 2,
dependiendo de las
condiciones a la cuales va a trabajar la máquina.
-
53
Tabla 2. Factor de servicio
Fuente: INTERMEC. Productos mecánicos para trasmisión de
potencia
Una vez calculada la potencia de diseño, se determina el perfil
de la correa con la
tabla 3.
-
54
Tabla 3. Perfil de correa
Fuente: INTERMEC. Productos mecánicos para trasmisión de
potencia
Con una velocidad de 1800 rpm y una potencia de diseño de 2,2 HP
se seleccionó
un perfil de banda de 3V, con una segunda opción de 3VX.
Teniendo el perfil de la banda, se calcula la relación de
velocidad, que se obtiene
de la división de la velocidad de salida del motor con la
velocidad de
funcionamiento del equipo.
Ecuación 2. Relación de velocidad de las poleas
La relación de velocidad obtenida es 6, el cual servirá para
encontrar el diámetro
de la polea conducida.
La selección de la polea conductora se realiza de acuerdo a las
especificaciones
establecidas por el fabricante en la tabla 4.
-
55
Tabla 4. Diámetro de polea motriz
Fuente: INTERMEC. Productos mecánicos para trasmisión de
potencia
El diámetro adecuado para la polea conductora es de 75 mm, con
este diámetro
establecido por el fabricante, se selecciona la referencia de la
polea de un canal
como se muestra en la tabla 5.
Teniendo la especificación de la polea motriz, calculamos la
polea conducida con
la relación de velocidad.
Ecuación 3. Diámetro de la polea conducida
-
56
Dónde:
La selección del diámetro de la polea conducida se estableció de
acuerdo a la
tabla 5.
Tabla 5. Especificación de la polea motriz
Fuente: INTERMEC. Productos mecánicos para trasmisión de
potencia
Ecuación 4. Distancia entre centros
( )
-
57
Dónde:
( )
Teniendo la distancia entre centros, se calcula la longitud de
la correa para el
sistema de trasmisión de polea.
Ecuación 5. Longitud de la correa
( ) (( )
)
( ) ( ) (( )
( ))
Cálculo del ángulo de contacto de la banda
Ecuación 6.Angulo de contacto de la banda
(
)
(
( ))
Una vez calculado el ángulo de contacto, se procede a calcular
la cantidad de
bandas necesarias para manejar la potencia de diseño.
Ecuación 7. Numero de bandas
Dónde:
-
58
Para determinar el número de bandas, se debe conocer el valor de
la potencia
corregida, que se calcula de la siguiente manera.
Dónde:
El ángulo de contacto determina el factor de correlación, de
acuerdo a la tabla 6.
Tabla 6. Factor de correlación por ángulo de contacto
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El factor obtenido es de .
La longitud de la correa, determina el otro factor, este se
obtiene de la tabla 7.
-
59
Tabla 7. Factor de correlación por longitud
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El factor obtenido es de
El sistema de trasmisión tendrá una sola correa en V, que
trasmitirá la potencia sin
ningún problema.
5.3 CÁLCULO DEL ENGRANAJE
El sistema de trasmisión se realiza por medio de un par de
engranes que se
encargan de trasmitirle movimiento al eje alimentador, lo que
permite el ingreso de
la cereza de café al cilindro de despulpado, este eje va a girar
a una velocidad de
74 rpm para garantizar la cantidad de café despulpado.
Teniendo la velocidad de giro del engrane impulsado y la del
engrane impulsor se
procede a calcular la relación de velocidad.
-
60
Dónde:
La distancia entre centros del eje del cilindro y el eje
alimentador es de
, como se muestra en la figura 17, para cumplir con esta
distancia se
asumió un paso diametral de , por medio de la tabla 8, se
seleccionó el número de dientes del engrane y piñón.
Figura 17. Distancia entre centro de los engranajes
-
61
Tabla 8. Selección de engrane y piñón
Np NG NG más cercano VR real rpm sal
11 44,5945946 45 4,09090909 73,3333333
12 48,6486486 49 4,08333333 73,4693878
13 52,7027027 53 4,07692308 73,5849057
14 56,7567568 57 4,07142857 73,6842105
15 60,8108108 61 4,06666667 73,7704918
16 64,8648649 65 4,0625 73,8461538
17 68,9189189 69 4,05882353 73,9130435
18 72,972973 73 4,05555556 73,9726027
19 77,027027 77 4,05263158 74,025974
20 81,0810811 81 4,05 74,0740741
21 85,1351351 85 4,04761905 74,1176471
-
62
Dónde:
Velocidad final de salida del engrane
Ecuación 8.velocidad de salida del engrane
( )
(
)
Distancia entre centros
Ecuación 9. Distancia entre centros de los engranes
( )
( )
( )
Cálculo de la velocidad de línea de paso
Ecuación 10. Velocidad de línea de paso
-
63
Cálculo de la carga trasmitida
Ecuación 11. Carga trasmitida
Dónde:
Especificación del ancho de cara del piñón y engrane
Dónde:
Análisis del esfuerzo de flexión en el piñón según la norma AGMA
2001-C95.
Ecuación 12. Esfuerzo de flexión en el piñón
Dónde:
-
64
Dónde:
, de acuerdo a la norma AGMA y al diseño de la máquina, se
estableció la ecuación de engranes abiertos, que hace
referencia a ejes sostenidos por cojinetes montados sobre los
elementos
estructurales de la máquina.
-
65
Análisis del esfuerzo de flexión en el engranaje según la norma
AGMA 2001-C95.
Ecuación 13. Esfuerzo de flexión del engranaje
( )
Dónde:
}
(
)
Cálculo de esfuerzo de contacto
Ecuación 14. Esfuerzo de contacto
√
Dónde:
-
66
De acuerdo a la figura 18, se determinó el factor de geometría,
según la norma
AGMA para engranes de dientes recto.
Figura 18. Factor de geometría
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El factor de geometría obtenido es de
√
5.3.1 Selección del material de los engranes. De acuerdo a los
resultados
obtenidos, se seleccionó un acero AISI 1020 como se observa en
el anexo B, que
cumple satisfactoriamente con los requerimientos del diseño.
Adicionalmente para
mejorar la resistencia al desgaste, se realizó sobre la pieza un
tratamiento térmico
de temple y revenido SWQT.
5.4 CÁLCULO DEL EJE DEL CILINDRO DE DESPULPADO
Se selecciona un acero AISI 1040 laminado en frio como se
muestra en el anexo
C.
-
67
De acuerdo a la figura 19, se determina la resistencia a la
fatiga. Figura 19. Resistencia a la fatiga
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
Calculo de la resistencia a la fatiga real
Ecuación 15. Resistencia a la fatiga real
( )( )( )( )
Dónde:
-
68
( )( )( )( )
El eje va ser impulsado por la polea, este a su vez le
trasmitirá el movimiento al
engrane que impulsara el eje de alimentación, la potencia de
entrada será de 2 Hp
y se procede a calcular el torque ejercido en el eje.
Ecuación 16. Torque
( )
Teniendo el torque, se procede a calcular las fuerzas que ejerce
la polea conducía
y el engranaje impulsor a través del eje.
Para poleas en V
Ecuación 17. Fuerza neta de impulsión
Dónde:
-
69
La fuerza de flexión ejerce una fuerza hacia arriba y hacia la
izquierda formando
un ángulo de 60˚ con la horizontal como se muestra en la figura
20.
Figura 20. Fuerza sobre el eje en la polea
Ahora se calcula las fuerzas que ejercen los engranes al eje, de
acuerdo a la
figura 21, se muestra la dirección de las cargas que se ejercen
sobre el eje.
Figura 21 .Fuerzas sobre el engrane
-
70
El largo del eje se estableció de acuerdo al ancho de la polea
conductora, el ancho
del rodamiento, el largo del cilindro de despulpado y el ancho
del engrane. De esta
forma se fijó su longitud como se muestra en la figura 22.
Figura 22. Longitud del eje
Una vez conocidas las fuerzas que van actuar sobre el eje, se
realiza el diagrama
de cuerpo libre como se ilustra en la figura 23.
-
71
Figura 23. Diagrama de cuerpo libre X-Z
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
-
72
Figura 24. Fuerza cortante X-Z
Figura 25. Momento flexionante X-Z
-
73
Figura 26. Diagrama de cuerpo libre Y-Z
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
-
74
Figura 27. Fuerza cortante Y-Z
Figura 28. Momento flexionante Y-Z
Cálculo del diámetro del eje
Ecuación 18. Diámetro del eje
*
√[
]
*
+
+
Para cada cambio de diámetro del eje, se utilizó diferente
ángulo de chaflán ( ), para reducir la concentración de esfuerzos
presentes en cada escalón del eje,
donde estará localizados los elementos de la máquina.
-
75
En el punto A habrá un par torsional de 420 , y un momento de
flexión igual
a cero. La polea estará instalada con una cuña de trineo con un
.
* ( )
√[
]
[
]
+
A la izquierda del punto B, se tendrá un par torsional de 420 ,
y un momento
flexionante de 209,78 , el rodamiento tendrá un chaflán
redondeado con
.
√
√( ) ( )
* ( )
√[
]
[
]
+
A la derecha del punto B, tendrá un par torsional de 420 , y
momento
flexionante de 209,78 , el rodamiento tendrá un chaflán agudo,
con .
* ( )
√[
]
[
]
+
A la izquierda del punto C, tendrá un par torsional de 420 , y
momento
flexionante de 81,04 , el rodamiento tendrá un chaflán agudo
con
-
76
√
√( ) ( )
* ( )
√[
]
[
]
+
A la derecha del punto C, tendrá un par torsional de 420 , y
momento
flexionante de 81,04 , el rodamiento tendrá un chaflán
redondeado, con
.
* ( )
√[
]
[
]
+
El punto D habrá un par torsional de 420 , y momento de flexión
= 0, El
engrane estará montado con una cuña de trineo con un .
* ( )
√[
]
[
]
+
Una vez calculado los diámetros del eje, se normalizó como se
muestra en la tabla
9.
-
77
Tabla 9. Tabla de resumen
Parte del eje M( ) Diámetro mínimo
Diámetro normalizado
(in)
Polea 1,6 0 0,47 1
Rodamiento B 1,5 173,51 1,32 1,77
Cilindro 2,5 173,51 1,44 2,25
Cilindro 2,5 1002,49 1,93 2,25
Rodamiento C 1,5 1002,49 1,77 1,77
Engrane 1,5 0 0,47 1
5.4.1 Cálculo de la cuña. La polea, el engranaje y el cilindro
de despulpado están
montados en un cuñero de trineo como se muestra en la figura
29.
Figura 29. Cuñero de trineo
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
La cuña se seleccionó de acuerdo al diámetro del eje como se
muestra en la tabla
10.
-
78
Tabla 10. Tamaño de la cuña en función del diámetro del eje
Tamaño nominal del eje Tamaño nominal de la cuña
Altura H
Más de Hasta Ancho W Cuadrada Rectangular
0,3125 0,4375 0,09375 0,09375
0,4375 0,5625 0,125 0,125 0,09375
0,5625 0,875 0,1875 0,1875 0,125
0,875 1,25 0,25 0,25 0,1875
1,25 1,625 0,3125 0,3125 0,25
1,625 1,75 0,375 0,375 0,25
1,75 2,25 0,5 0,5 0,375
2,25 2,75 0,625 0,625 0,4375
2,75 3,25 0,75 0,75 0,5
3,25 3,75 0,875 0,875 0,625
3,75 4,5 1 1 0,75
4,5 5,5 1,25 1,25 0,875
5,5 6,5 1,5 1,5 1
6,5 7,5 1,75 1,75 1,25
7,5 9 2 2 1,5
9 11 2,5 2,5 1,75
11 13 3 3 2
13 15 3,5 3,5 2,5
15 18 4
3
18 22 5
3,5
22 26 6
4
26 30 7
5 Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El material seleccionado para la fabricación de la cuña, es un
acero AISI 1040
estirado en frio.
Calculo de la longitud mínima requiere de la cuña
Ecuación 19. Longitud de la cuña
-
79
Dónde:
El cilindro tiene dos chavetas de trineo, cada chaveta estará
ubicada en los
extremos del cilindro, el ancho de la cuña se seleccionó de
acuerdo al diámetro de
la sección del eje en que ira montado el cilindro de
despulpado.
El largo mínimo de las chavetas calculadas, cumplen
satisfactoriamente con la
torsión ejercida, sin embargo se decidió dejar un largo de media
pulgada a las
cuatro chavetas del eje.
5.4.2 Cálculo y selección de los rodamientos. Los elementos
presentes en el eje
como la polea y el engrane generan cargas radiales a los
rodamientos, por tal
razón se calculó la capacidad de carga y la geometría del
rodamiento para que
hubiera una adecuada instalación y un buen funcionamiento.
-
80
Se determinó la duración recomendada para rodamientos como se
muestra en la
tabla 11, para definir la capacidad de carga dinámica requerida
y seleccionar el
rodamiento adecuado.
Tabla 11. Duración recomendada para rodamientos
Aplicación
Duración de diseño
Diseño L10 h
Electrodomésticos 1000-2000
Motores de aviación 1000-4000
Automotores 1500-5000
Equipo agrícola 3000-6000
Elevadores, ventiladores industriales, trasmisiones de usos
múltiples
8000-6000
Motores eléctricos, sopladoras, maquinas industriales en
general
8000-15 000
Bombas y compresores 40 000-60 000
Equipo critico en funcionamiento durante 24 h 100 000-200 000
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
La duración recomendada para equipo agrícola es
La capacidad de carga dinámica será:
Ecuación 20.Carga dinámica
Dónde:
De acuerdo al cuadro 7, se determinó el factor de velocidad y el
factor de
duración.
-
81
Cuadro 7. Relación de carga y duración
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
De acuerdo a la carga dinámica obtenida y el diámetro del eje,
se seleccionó el
rodamiento adecuado del cátalo skf anexo D, y se determinó su
geometría como
se ilustra en la figura 30.
Figura 30. Especificaciones del rodamiento
Fuente: SKF. Svenska kullagerfabriken
-
82
5.5 CÁLCULO DE LA TOLVA
La función principal de la tolva, es almacenar el material para
luego ingresarlo a la
fase de despulpado, debido al tipo de material que se va a
manipular la tolva debe
cumplir con los siguientes parámetros:
El material de la tolva no debe reaccionar con el producto.
Debe ser resistente a la fricción.
La capacidad de la tolva debe ser de 50 kg mínimo.
La resistencia de la tolva debe soporta la cantidad del ítem
anterior sin deformare.
Debe ser desmontable para su limpieza y mantenimiento.
Para el diseño de la tolva, el ángulo mínimo de deslizamiento de
la cereza de café
es de α=50° grados6, para el diseño de la tolva se aumentó diez
grados, teniendo
como resultado un ángulo de 60 grados como se ilustra en la
figura 31, de esta
manera el producto no se quedara en un estado de reposo y se
garantiza una
alimentación continua.
Figura 31. Angulo de la tolva
Se diseñó una salida de forma rectangular y su tamaño se calculó
por el volumen
que ocupa los de cereza de café.
5.5.1 Cálculo de la densidad del café. En primera medida se
determinó la
densidad del producto, este se hizo por medio de un recipiente
de volumen fijo,
donde se realizó varias mediciones de peso y se obtuvieron unos
valores como se
muestra en la tabla 12.
6
6 Diseño y construcción de un silo secador de granos de café.
Edgar Sánchez. Recuperado
http://repositorio.uis.edu.co
-
83
Dimensiones del recipiente:
Alto: 10 cm
Diámetro: 8 cm
Volumen del recipiente: 502,65
Peso del recipiente: 16 g
Tabla 12. Medición del peso en un volumen determinado
Medición Peso con recipiente Peso sin recipiente
1 509,825 493,825
2 495,68 479,68
3 498,662 482,662
4 504,255 488,255
5 508,289 492,289
6 492,063 476,063
Dónde:
∑
( )
(Sin el recipiente)
Ecuación 21.Densidad aparente
Dónde:
-
84
Con la densidad obtenida, se calcula el volumen que ocupan los
de cereza de café.
La figura 32, muestra la geometría de la tolva.
Figura 32. Volumen de la tolva
El cálculo del volumen de la tolva se estableció con de cereza
de café, sin embargo el diseño de la tolva se realizó para que
pudiera almacenare dos
kilogramos de más, de esta manera se garantiza que al momento de
alimentar la
tolva no se rebose el material.
-
85
Ecuación 22. Volumen de la tolva
* √( )+
Dónde:
Por las características de diseño de la máquina, el largo y la
base inferior de la
tolva se conocen, de esta manera se calculó la altura y el ancho
en la parte
superior. Como se tiene una ecuación de volumen y dos
incógnitas, se realizó una
tabla de iteración como se observa en la tabla 13, para obtener
los valores de las
dos variables y las dimensiones de la tolva.
De acuerdo a la tabla 13, el ancho de la parte superior esta
entre ( ),
iterando nuevamente se tiene que el ancho ideal para los es de ,
sin embargo como la tolva debe ser un poco más grande para
garantizar que no se
rebose, se definió un ancho de y una altura de
* √( )+
-
86
Tabla 13. Dimensiones de la tolva
b2 (m) l (m) b1 (m) ϴ (Grados)
h (m) V tolva (m3)
Primera Iteración
0,4 0,4 0,1 60 0,259807 0,0242487
0,5 0,4 0,1 60 0,346410 0,0380407
0,6 0,4 0,1 60 0,433012 0,0545566
b2 (m) l (m) b1 (m) ϴ
(Grados) h (m) V tolva (m
3)
Segunda Iteración
0,5 0,4 0,1 60 0,346410 0,0380407
0,51 0,4 0,1 60 0,355070 0,0395705
0,52 0,4 0,1 60 0,363730 0,0411275
0,53 0,4 0,1 60 0,372390 0,0427116
0,54 0,4 0,1 60 0,381051 0,0443228
0,55 0,4 0,1 60 0,389711 0,0459610
0,56 0,4 0,1 60 0,398371 0,0476263
0,57 0,4 0,1 60 0,407031 0,0493185
0,58 0,4 0,1 60 0,415692 0,051037
0,59 0,4 0,1 60 0,42435 0,0527837
0,6 0,4 0,1 60 0,43301 0,054556
5.5.2 Cálculo del espesor de la tolva. El espesor de la tolva se
determinó de
acuerdo al comportamiento presentado bajo las cargas, con un
análisis de
elementos finitos.
La presión ejercida va ser igual
Ecuación 23. Presión hidrostática
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Dónde:
El material con el que se fabricó la tolva es un acero
inoxidable AISI 304 como se
ve en el anexo E, este material se seleccionó debido a que no
reacciona, no
contamina el producto y es muy utilizado en la industria
alimentaria.
Una vez definido el material y la geometría, se procede a
simular el
comportamiento de la tolva bajo cargas, lo primero que se
realiza es la fijación de
las restricciones y posteriormente se ubican las cargas, como se
ve en la figura
33.
Figura 33. Carga y restricción en la tolva
Con espesor de se obtuvo un factor de seguridad de 15 como se
muestra en la figura 34, el cual se confirma que el material
seleccionado cumple
satisfactoriamente con los requisitos de diseño.
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88
Figura 34. Factor de seguridad de la tolva
El desplazamiento presentada en la tolva como se demuestra en la
figura 35, es
mínima con un resultado de , en la parte superior, con esto se
concluye que la tolva no presentara ninguna deformación, siempre y
cuando se cumpla con
las especificaciones de diseño.
Figura 35. Deformación
5.5.3 Cálculo del eje de alimentación. Este sistema realiza la
primera función del
proceso de despulpado, donde se alimenta la maquina por medio de
un eje, que
se encuentra en la parte inferior de la tolva, este eje tendrá
una sección trasversal
cuadrada para evitar que el producto quede girando.
La cantidad de cerezas de café que introducirá al cilindro de
despulpado, será
igual número de cerezas que alberga a lo largo del eje por el
número de rpm
equivalentes a 31 cerezas.
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Por cada rpm que realice el eje, se introducirá cuatro veces la
cantidad de café
que ocupan a lo largo del cilindro.
A una velocidad de
