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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
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
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
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
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.
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.
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.
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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
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/
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
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
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.
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.
32
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/
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/
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
87
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.
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.
89
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 74 rpm, el eje alimentara al cilindro de despulpado
( )
Con este resultado, la producción de despulpado en 12 horas seria:
La cantidad de café que se ingresa al cilindro de despulpado cumple
satisfactoriamente con la cantidad de café que el sistema puede despulpar, sin
que se presente sobrealimentación.
5.6 CÁLCULO DEL CILINDRO DE DESPULPADO
El sistema de despulpado de la máquina, cuenta principalmente con un cilindro
horizontal, que tiene una cubierta de cobre con pequeñas muescas o botones
como se ilustra en la figura 36, este cilindro realiza la función de despulpado de
café mediante la compresión y la fuerza axial que se presenta entre el cilindro y el
pechero.
Figura 36. Cilindro Horizontal
90
5.6.1 Determinación del diámetro del cilindro. Para determinar el diámetro del
cilindro, se tuvo en cuenta la capacidad de la máquina, de tal manera se
estableció las medidas adecuadas para lograr la cantidad de café despulpado
deseado. En la industria, se encuentra distintos tamaños y capacidades de
máquinas de despulpado de café como se muestra en la siguiente tabla 14.
Tabla 14. Máquinas de despulpado de café en el mercado.
Fabricante Capacidad (kg/h) Diámetro del cilindro (mm)
J.M Estrada 300 900 1200
190,5 254
355,6
Hermanos Penagos 600 1300 2500
190,5 355,6 406,4
Jotagallo 700 1200
254 355,6
Teniendo en cuenta las características de estas máquinas se estableció una
relación entre cantidad de café despulpado y diámetro del cilindro como se ilustra
en el tabla 15.
Tabla 15. Diámetro del cilindro
Diámetro del cilindro (mm) Capacidad (kg/h)
160,02 200
190,5 300-400
254 600-900
355,6 1200-1800
406,4 2500-5000
El diámetro determinado para la producción de café es de 254 mm, de acuerdo al
requerimiento funcional mencionado en el numeral (3.2.1).
5.6.2 Cálculo del espesor del cilindro de despulpado. El espesor del cilindro se
calculó de acuerdo al método de análisis de esfuerzos, como se muestra en la
figura 37, de esta manera se garantiza que elemento resistirá las cargas a las
cuales va estar sometido.
91
Figura 37. Elemento general de esfuerzos
El esfuerzo normal presente en el elemento, se da al momento de comprimir la
cereza de café con el pechero de la maquina en un área a lo largo del cilindro
como se muestra en la figura 38.
Figura 38. Área de contacto
El área de contacto será:
Dónde:
92
La fuerza de compresión total de , la cual va estar sometido el elemento,
se determina con la fuerza necesaria para despulpar una cereza de café y la
cantidad de cerezas que caben a lo largo del cilindro,
El esfuerzo normal será igual:
Ecuación 24. Esfuerzo normal
Una vez calculado el esfuerzo normal, se calculó el esfuerzo permisible, este
debe ser mayor al esfuerzo normal, y se determina de acuerdo al esfuerzo de falla
a la compresión del material y el factor de seguridad establecido en el diseño.
Ecuación 25. Esfuerzo permisible
Dónde:
El material empleado para la fabricación del elemento, es una fundición gris ASTM
20 como se muestra en el anexo F, con un esfuerzo de compresión de
El factor de seguridad es una medida relativa para garantizar que no se produzca
alguna falla que pueda afectar el equipo y en especial al operario, este factor de
diseño se tomó de acuerdo a los criterios establecidos en el cuadro 8.
93
Cuadro 8. Facto de diseño
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El elemento general de esfuerzo nos muestra que el cilindro además de tener un
esfuerzo normal por compresión, presenta un esfuerzo cortante por torsión este es
generado por el torque que se trasmite al cilindro.
El esfuerzo cortante por torsión permisible va ser igual:
Ecuación 26. Esfuerzo cortante permisible
El esfuerzo torsional de falla se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación
Ecuación 27. Esfuerzo cortante de falla
( )
94
El esfuerzo torsional permisible debe ser mayor al esfuerzo de Von Mises.
Ecuación 28. Esfuerzo de Von Mises
√( ) ( )
Dónde:
√( ) ( )
Teniendo el esfuerzo de torsión permisible podemos despejar el diámetro interior
del cilindro y obtener el espesor necesario.
Dónde:
( )
Sustituyendo el momento polar de inercia, en la ecuación de esfuerzo de torsión
despejamos el diámetro interno.
( )
95
√( ) (
)
√( ) (( ) ( ) (
))
De acuerdo al análisis realizado al elemento, se determinó que el diámetro interno
necesario es de 253 mm, sin embargo debido al tipo de material se realizó la tabla
16, con diámetros inferiores para tener un espesor mayor y sea posible fundir la
pieza con facilidad.
Tabla 16. Tabla de resultado con diferente diámetro
T( ) D( ) d( ) c( ) j( ) τ( )
44,45 0,254 0,253 0,127 6,39728E-06 159,37 x10^6
44,45 0,254 0,252 0,127 1,27192E-05 882429,5
44,45 0,254 0,251 0,127 1,89662E-05 443830,6
44,45 0,254 0,25 0,127 2,5139E-05 297642,5
44,45 0,254 0,249 0,127 3,12383E-05 224557
44,45 0,254 0,248 0,127 3,72644E-05 180712,7
44,45 0,254 0,247 0,127 4,32181E-05 151489
44,45 0,254 0,246 0,127 4,91E-05 130620
44,45 0,254 0,245 0,127 5,49105E-05 114972,6
44,45 0,254 0,244 0,127 6,06503E-05 102806,4
El radio interno del cilindro que se selecciono fue de 0.245 m, este cumple con el
análisis de esfuerzos que se realizó con anterioridad, con este radio tenemos un
espesor de 8 mm, lo suficiente para trabajar la pieza sin dificultad al momento de
su fabricación.
5.7 DISEÑO DEL PECHERO
Este elemento tiene la función de comprimir la cereza de café contra el cilindro
como se muestra en la figura 39, adicionalmente dirige el curso del grano a la
salida por medio de unas ranuras o conductos de no más de de profundidad
de acuerdo a las características del café.
96
Figura 39. Angulo de entrada de la cereza de café al pechero
5.7.1 Selección de los tornillos de graduación del pechero. El pechero está sujeto
por ocho tornillos, cuatro en el lado derecho y cuatro en lado izquierdo,
manteniendo al elemento fijo en su posición, además se podrá calibrar la distancia
entre el cilindro y el pechero como se muestra en la figura 40, teniendo el beneficio
de despulpar café de diferentes tamaños y disminuyendo la cantidad de café
trillado o mordido.
Figura 40. Ajuste del pechero
97
La máquina en operación presenta vibración en especial el pechero, por esta
razón se seleccionó tornillos de rosca fina de un cuarto de pulgada con un paso de
1 mm como se muestra en la figura 41 Y anexo G, para evitar cualquier desajuste
en este elemento.
Figura 41. Tipo de rosca
Fuente: Diseño de Tornillos. [En línea]. Citado Marzo 20,
5.8 CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA
Las vigas y columnas que tendrá la estructura de la máquina, se diseñaran para
soportar las cargas a las cuales va estar sometida, para obtener el perfil adecuado
de la estructura se realiza el análisis que determinara el momento flector máximo.
La máquina de despulpado tiene una peso de incluyendo los que
puede almacenar la tolva, este peso se va distribuir en dos, debido a que la
máquina se va apoyar en dos vigas y la carga se va distribuir, por este motivo la
carga va ser igual a como se muestra la figura 42.
Figura 42. Diagrama de cuerpo libre
98
Una vez calculo las reacciones y los momentos en los apoyos de la estructura, se
realiza los diagramas de fuerza cortante y momento máximo como se ilustra en la
figura 43 y 44.
Figura 43. Diagrama de cortante
99
Figura 44. Diagrama de momento
El material que se seleccionó, es un acero ASTM 500 estructural como se muestra
en el anexo H, utilizado en la elaboración de estructuras en la industria.
Partiendo de la condición de esfuerzos, se determina el módulo de sección
requerido, con el cual se establecerá el perfil de la estructura.
Dónde:
100
El módulo de sección será igual
Ecuación 29. Módulo de sección
Remplazando en la ecuación de esfuerzo permisible se obtiene el módulo de
sección requerido
Ecuación 30. Módulo de sección requerido
El perfil adecuado, de acuerdo al módulo de sección requerido es de
, sin embargo por disposición geométrica de la ubicación de los
componentes de la máquina, se escoge un perfil de , como se
muestra en la figura 45 y anexo I.
Figura 45. Perfil tubular cuadrado
El módulo de sección del perfil selecciona es igual
101
De esta manera, se concluye que el perfil seleccionado cumple con los
requerimientos de diseño.
La columna va tener el mismo perfil de la viga, sin embargo se realizó una
inspección por esbeltez
En la figura 46, se establece la longitud efectiva, de acuerdo al amarre de la
columna con la estructura.
Figura 46. Tipo de fijación
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
Una vez conocido el tipo de perfil, las dimensiones y su longitud efectiva se realiza
el chequeo por esbeltez.
Ecuación 31. Esbeltez
Dónde:
102
√
√
Ahora se procede a calcular la constante de la columna y verificar cual es mayor
para así, determinar si la columna es corta o larga y utilizar el método adecuado.
Ecuación 32. Constante de la columna
√
Dónde:
√
La relación de esbeltez, es menor, que la constante de la columna, por lo tanto la
columna es corta y se desarrolla con la ecuación de Johnson.7
7 Robert Mott. (2006). Diseño de elementos de máquina. México, P. E. University of Dayton
103
La carga crítica para la columna será
Ecuación 33. Carga critica
[ (
)
]
[
( )
]
Con esta carga el elemento empezara a pandearse, como en la viga se utilizó un
factor de seguridad de aquí se emplea el mismo factor y se tiene la carga
admisible del elemento.
Ecuación 34. Carga admisible
5.8.1 Soldadura. La estructura va soldada, el primer paso para su cálculo, es
seleccionar el tipo de perfil y geometría como se ve en la figura 47, esta va estar
sometida una carga de sobre los extremo de las vigas que sostendrá el
peso de la máquina.
104
Figura 47. Tipo de soldadura
Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
El factor de geometría, de acuerdo a la figura anterior va ser igual
Ecuación 35.Factor de geometría
( )
( )
( ( ) )
105
Una vez calculado los factores de geometría, se calculan la fuerza cortante y el
esfuerzo de torsión que va tener la soldadura.
Ecuación 36. Fuerza cortante
Dónde:
Calculo de la fuerza cortante vertical
Ecuación 37. Fuerza cortante vertical
Calculo del momento de torsión
Ecuación 38. Momento de torsión
[ ( )]
[ ( )]
106
Calculo de la fuerza por torsión
Ecuación 39. Fuerza por torsión
La fuerza total que tendrá la soldadura será
Ecuación 40. Fuerza total
La longitud necesaria será igual
Ecuación 41. Longitud del cordón de soldadura
Una vez calculado la fuerza total, se selecciona el electrodo, de la tabla 17, y se
calcula la longitud necesaria.
Tabla 17. Esfuerzo cortante y esfuerzo sobre soldadura
Grado ASTM del metal base
Electrodo Esfuerzo cortante
admisible Fuerza admisible por
pulgada de lado
Estructuras de edificios
A36, A441 E60 13 600 psi 9600 Lb/pulg
A36, A441 E70 15 800 psi 11 200 Lb/pulg
Estructura de puentes
A36, A441 E60 12 400 psi 8800 Lb/pulg
A441, A242 E70 14 700 psi 10 400 Lb/pulg Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
107
Una vez calculado la longitud necesaria para la soldadura, se normaliza de
acuerdo al espesor de la placa con la tabla 18.
Tabla 18. Tamaño mínimo para cordón
Espesor de la placa (pulg) Tamaño máximo del lado, para
soldaduras de chaflán (pulg)
≤0,5 0,1875
>0,5-0,75 0,25
>0,75-1,5 0,3125
>1,5-2,25 0,375
>2,25-6 0,5
>6 0,625 Fuente: ROBERT MOTT. Diseño de elementos de máquina.
5.9 SISTEMA ELÉCTRICO
La despulpadora de café tiene un sistema eléctrico y de control sencillo, que
permite al operario manipular el equipo de manera fácil y precisa, el tablero de
control tiene un botón de encendido, uno de apagado y un paro de emergencia.
5.9.1 Componentes eléctricos. El sistema eléctrico está compuesto por dos
unidades, el de fuerza y el sistema de control.
El sistema de fuerza está compuesto por la red eléctrica que suministra el servicio,
las conexiones, los contactores, las protecciones del motor, tanto breaker y relés
térmicos.
El sistema de control se compone, por los elementos de mando y maniobra como
contactores, relés térmicos, pulsadores y elementos de parada.
El primer mecanismo de protección del motor es el interruptor o breaker, este
elemento protege al motor de una sobre carga, interrumpiendo el flujo de energía,
este tendrá tres polos como se muestra en la figura 48.
108
Figura 48. Breaker de tres polos
Fuente: KOMASUT. Breaker trifásico [En línea].
Citado en Marzo 10, 2015. Disponible en internet
http://grupokomatsu.com/catalogo
El contactor, funciona en conjunto con el interruptor, sin embargo tiene la ventaja
de funcionar a distancia con un mecanismo electromagnético y permite la apertura
o cierre del circuito eléctrico.
Por ultimo tenemos el relé térmico, este es el último mecanismo de protección del
motor, lo protege de un calentamiento y tiene la ventaja de graduar el máximo
amperaje permitido.
5.9.2 Cálculos eléctricos. Teniendo en cuenta que el motor seleccionado es de
, con una eficiencia especificada por el fabricante es , se
obtiene los siguientes cálculos y resultados para el diseño del sistema eléctrico.
Cálculo de la corriente
Ecuación 42. Eficiencia
Dónde:
109
La potencia será igual
Ecuación 43. Potencia eléctrica
√ ( )
Dónde:
( )
De la ecuación de potencia, se despeja la corriente, para determinar los elementos
de conexión del motor.
√ ( )
√
Para este valor de corriente de la tabla 19, se selecciona el calibre, sin embargo
por norma técnica colombiana las conexiones eléctricas deben operar a un
de su capacidad nominal, el calibre seleccionado debe ser un 12 AWG, resistente
hasta 20 A.
110
Tabla 19. Calibre del cable
Fuente: VOLTECH. Cables y conductores eléctricos [En línea]. Citado en Marzo 10, 2015.
Disponible en internet https://www.voltech.com.
De acuerdo a la corriente calculada y el diámetro de cable selecciona, se
determinó un breakers de 20 A trifásico que cumple satisfactoriamente con los
requerimientos de diseño.
Una vez conocido los elementos necesarios para proteger el motor, se realiza el
diagrama de fuerza como se observa en la figura 49.
111
Figura 49. Diagrama de fuerza
El sistema de control de la máquina, como se muestra en la figura 50, sirve para el
encendido y apagado de la maquina así como para el paro de emergencia y la
protección del motor.
Figura 50. Diagrama de control
112
6. MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN
La simulación es una parte importante para el diseño de la máquina, este se
realizó a la carcasa de la máquina, debido a que es la pieza principal de la
despulpadora de café, es aquí donde va ir cada uno de los elementos de la
máquina.
El diseño de la carcasa empieza con una forma cuadrada con un espesor de 10
mm como se ve en la figura 51, con la disposición adecuada para el montaje de
los diferentes elementos de la despulpadora, este modelo contiene todas las
dimensiones y geometrías mínimas necesarias para que el elemento cumpla con
las condiciones de soporte de la máquina.
Figura 51. Diseño preliminar de la carcasa
Este diseño preliminar, nos sirve para identificar los puntos críticos en donde se
pueda presentar deformaciones, para evaluar estos puntos claves se ubicaron las
cargas y restricciones.
La restricción de la carcasa estará ubicada en la parte inferior, como se observa
en la figura 52, esto se realiza por que ahí es donde se ancla la estructura con la
carcasa.
113
Figura 52. Restricción de la carcasa
En la parte superior de la carcasa, reposa la tolva la cual ejerce una carga
distribuida de como se muestra en la figura 53, de acuerdo al informe
que presenta el programa de simulación que determina el peso del elemento.
Figura 53. Carga de la tolva
La carga aplicada sobre las chumaceras corresponde a las reacciones máximas a
las que está sometido el eje, teniendo como resultado y si bien
los dos rodamientos no están sometidos a la misma carga se calculan ambas
partes de la carcasa a esta condición máxima para garantizar su resistencia como
se muestra la figura 54.
114
Figura 54. Cargas en el soporte de la chumacera
La carga aplicada sobre los agujeros de los tornillos que sujetan la chumacera del
eje alimentador corresponde a la carga se reparte en dos como se
muestra en la figura 55.
Figura 55. Carga en la sujeción de la chumacera
Por último, se tiene la fuerza que realiza el pechero equivalente a , que se
sostiene en los soportes externos de la carcasa como se muestra en la figura 56.
115
Figura 56. Carga en el soporte del pechero
Una vez definido todas las cargas, se procede a simular la carcasa y evaluar los
resultados obtenidos.
El análisis por elementos finitos mostro que la carcasa, tiene un desplazamiento
en las paredes laterales, en forma de pandeo y en la parte superior como se
muestra en la figura 57.
Figura 57. Análisis de deformación
Debido a lo anterior, se procede a realizar refuerzos y apoyos en las tapas
laterales de la máquina, para lograr una mayor rigidez y evitar que se presente
una falla.
El refuerzo que se le dio a las paredes laterales donde se presenta mayor
desplazamiento, consiste en apoyos triangulares que van desde la base inferior
hasta llegar casi a la base superior como se muestra en la figura 58, cada uno a
116
una distancia prudente sin afectar el diseño de las partes donde van montado los
elementos de la máquina. Figura 58. Refuerzo lateral
Con este nuevo refuerzo se realizó la simulación y se obtuvo mejoras en la
deformación como se muestra en la figura 59.
Figura 59. Análisis con el refuerzo lateral
Como se observa en el grafico anterior, el desplazamiento lateral se redujo
significativamente luego de haber colocado los refuerzos laterales, sin embargo el
desplazamiento de la superficie es una de las más grandes, generando una mayor
deformación en la zona de apoyo de la tolva. Por lo anterior se proceden a realizar
refuerzos externos en esta zona como se observa en la figura 60.
117
Figura 60. Refuerzo en la entrada de la tolva
Una vez realizado los refuerzos a la carcasa, se realiza el análisis y se compara
los resultados obtenidos con las mejoras y sin las mejoras. Adicionalmente se le
realizo un ajuste a la carcasa redondeando las esquinas superiores, mejorando su
estética y optimizando la utilización de material.
De acuerdo la figura 61, el desplazamiento de la carcasa con los refuerzos se
disminuyó un pasando de
Figura 61. Análisis de deformación con los refuerzos
Por último se tiene un factor de seguridad de como se ve en la figura 62, esto
garantiza que la carcasa soportara adecuadamente las cargas a las cual va estar
sometida.
118
Figura 62. Factor de seguridad
El eje motriz consta de diferentes diámetros donde estarán ubicados los
elementos de trasmisión de la máquina, este elemento es de gran importancia y
por tal razón se realizó un análisis de elementos finitos para verificar que cumple
con los requerimientos de diseño.
En primera medida se ubicó la restricción en la chaveta, donde va estar sujetado
el engranaje y por donde sale el torque que le trasmitirá al eje de alimentación
como se muestra en la figura 63.
Figura 63. Carga dinámica
El torque de entrada es de este se trasmite por medio de la polea
conducida como se muestra en la figura 64.
119
Figura 64. Torque en el eje motriz
Una vez colocado la carga y la restricción en el eje motriz, se realizó el análisis de
deformación y se obtuvo un desplazamiento de 0,048 mm, como se muestra en la
figura 65, de esta manera se concluye que el elemento cumple con el
requerimiento de diseño.
Figura 65. Análisis de deformación
El factor de seguridad obtenido de acuerdo al análisis de elementos finitos es de
, como se muestra en la figura 66, de esta manera se tiene que elemento
soportara la carga dinámica en la que va estar sometido durante la operación.
120
Figura 66. Factor de seguridad
.
121
7. MANUALES
Los manuales desarrollados a continuación, brindaran toda la información exigida
por la norma de calidad, con los cuales se definirán de manera precisa y
secuencial las tareas en los procesos de ensamble, operación y mantenimiento de
la máquina necesarios para su óptimo funcionamiento.
7.1 MANUAL DE SEGURIDAD Y SALUD OCUPACIONAL
El manual de seguridad y salud ocupacional establece las normas básicas para
evitar cualquier tipo de accidente o contaminación por la exposición de factores de
riesgo que se podrían producir durante el proceso.
La etapa de despulpado es crucial para la obtención de un café de buena calidad,
ya que aquí se presenta el mayor riesgo de daño y posible contaminación al café.
Debido a esto, el espacio establecido para su acople y posicionamiento debe estar
acorde a la dimensión de la máquina y la fácil maniobrabilidad del operario.
También se busca una adecuada señalización del lugar de trabajo, esta se realiza
con una línea de color amarillo que establece las zonas de peligro y las zonas de
trabajo a las cuales los operarios deben acceder, para evitar cualquier tipo de
riesgo durante la operación.
La seguridad durante el proceso de despulpado debe estar enfocado en garantizar
la protección del operario en todo momento, asegurando su integridad física. El
operario encargado de la fase de despulpado va estar expuestos a diversos
factores que pueden afectar su salud, esto debido al funcionamiento de la
máquina, los aspectos a tener en cuenta son:
7.1.1 Vibración y sonido. Las vibraciones y sonidos generados por la máquina
pueden generar complicaciones de salud al operario, como la disminución auditiva
o sordera, además de generar trastornos psicológicos, insomnio o problemas con
el sistema nervioso. El operario debe seguir los protocolos establecidos para evitar
cualquiera de estos síntomas, utilizando el equipo de trabajo adecuado como las
orejeras o tapones auditivos.
122
Figura 67. Riesgo auditivo
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado Abril
20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com.
7.1.2 Riesgo mecánico. El mecanismo para el funcionamiento de la maquina tiene
todo tipo de elementos móviles, como ejes, engranes, trasmisión, etc. Estas
pueden ocasionar accidentes, los cuales pueden generar golpes o amputaciones
al operario, por eso se le debe realizar una capacitación al operario y que este
tenga presente las siguientes precauciones.
Leer y seguir las instrucciones del manual de operación.
Verifique si la maquina opera con normalidad, asegurando que los elementos
móviles se encuentre en su lugar y debidamente lubricados.
Asegurar todos los elementos antes de poner en operación la máquina.
Figura 68. Riesgo mecánico
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea].
Citado Abril 20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com.
7.1.3 Riesgo biológico. Debido a la locación y las condiciones en las que se
encuentra el cultivo de café, el operador está expuesto a sustancias u organismos
que pueden afectar su salud, causándole enfermedades. Los organismos o
sustancias presentes en este proceso son generados por los depósitos de
fermentación del café, en estos depósitos se produce la proliferación de diversos
seres portadores de enfermedades, como es el caso de la moscas, mosquitos de
123
diferentes tipos u otro tipo de animales que usualmente se encuentra en clima
cálido. El principal riesgo de contagio de alguna enfermedad es por medio de
picaduras, por este motivo se deben tener en cuenta las siguientes precauciones.
Realizar periódicamente jornadas de fumigación para evitar la proliferación de
plagas
Definir procesos de manipulación del producto y residuos generados durante el
proceso
Establecer procedimientos de emergencia, en caso de quemaduras, cortadas o
picaduras que generen riesgo a la integridad del operario.
Figura 69. Riesgo biológico
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado
Abril 20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com.
7.1.4 Riesgo eléctrico. Los sistemas eléctricos de la máquina, como el motor
eléctrico y sus componentes que se conectan entre sí, generan energía, la cual
puede entrar en contacto con el operario, creando un riesgo de quemaduras,
choque, fibrilación entre otras, dependiendo la intensidad de la corriente y el
tiempo de contacto, para evitar alguna de estas situaciones se debe tener las
siguientes recomendaciones:
No manipular ningún elemento eléctrico mientras se encuentre encendida la
maquina
No manipular ni realizar cambios de los componentes eléctricos de la maquina
Garantizar que los componentes eléctricos no estén en contacto con ningún
elemento húmedo
Utilizar los elementos adecuados al momento de poner en funcionamiento la
maquina
124
Figura 70. Riesgo eléctrico
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado
Abril 20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com
7.1.5 Riesgo ergonómico. Al momento de manipular la carga de café, se debe
capacitar a las personas para evitar una mala postura o un esfuerzo inadecuado,
que pudiera generar alguna discapacidad física, razón por la cual se establece
ciertos parámetros.
No levantar cargas superiores a los 20 kg, para no generar sobrecargas al
operario
Los movimientos repetitivos generados en el proceso pueden generar
trastornos musculares, se recomienda realizar pausas activas.
Mantener una postura adecuada, con la espalda recta.
No realizar levantamientos con la espalda, si no con las piernas
Figura 71. Riesgo ergonómico
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado
Abril 20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com
125
7.1.6 Riesgo microclima. Las condiciones de trabajo del recinto a las que se
encuentra expuesto el operador, suelen superar los 68 grados celsius, condiciones
a las cuales puede generar deshidratación o dolores de cabeza al operario, razón
por la cual se recomienda tomar las siguientes medidas.
Tener cerca una fuentes de hidratación
No excederse en las funciones y realizar pausas en caso de presentar dolor de
cabeza o fatiga
Si la operación se realiza a campo abierto, utilizar crema protectora y estar
siempre cubierto de los rayos solares
Figura 72. Riego microclima
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado
Abril 20, 2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com
7.1.7 Seguridad del operador. Todo operario que realice operaciones dentro las
instalaciones, debe tener el equipo necesario para prevenir cualquier incidente que
se pueda presentar durante el proceso de producción, adicionalmente debe
atenerse a los protocolos de seguridad utilizando los elementos de protección
como se muestra en la figura 63.
Figura 73. Equipo de seguridad
Fuente: seguridad e higiene ambiental. [En línea]. Citado Abril 20,
2016. Disponible en internet
http://seguridadhigieneambiental.blogspot.com
126
7.2 MANUAL DE MANTENIMIENTO
La vida útil de una maquina está dada por su mantenimiento y trato a la cual va
ser expuesta, por eso este manual se desarrolla para garantizar una confiablidad y
disponibilidad del equipo.
El manual de mantenimiento desarrollado para esta máquina agrícola, consiste en
la rutina de limpieza, inspección, ajuste y lubricación. Esta rutina enfoca al
operario a mantener los elementos de la maquina periódicamente, detectando
posibles daños, de esta manera se realiza un mantenimiento preventivo y no
correctivo reduciendo costos y riesgos profesionales.
Mantenimiento a realizar
El operario de la máquina, debe realizar la limpieza de la maquina después de
haber terminado la operación, removiendo con agua los residuos en la tolva.
Engrasar los rodamientos de los ejes horizontales
Engrasar los bujes del eje alimentador
Calibrar el pechero al momento de empezar a despulpar
Cada función de estas se debe realizar de acuerdo a un cronograma, para
entender y orientar de mejor manera al lector se va describir la configuración de la
máquina.
- Alimentación, es aquí donde se va a verter de manera controlada el producto
para ser procesada por el eje alimentador.
- Despulpado, una vez recibido el producto, este es impulsado por el eje
alimentado hacia el cilindro, que a su vez va comprimir el café con el pechero de
la máquina.
- Sistema motor, es el que genera el movimiento necesario para darle movimiento
al cilindro y cumpla con el proceso de despulpado.
- Estructura, es donde va ir sujetada la máquina para realizar el proceso.
Una vez conocida las partes de la maquina se realizara un programa de
mantenimiento como se muestra en el cuadro 9.
127
Cuadro 9. Ruta de inspección
Sistema Sub sistema Actividad Frecuencia
Alimentación
Tolva
Limpieza
semanal
Eje alimentador
Inspección Limpieza
Trimestral
Semanal
Despulpado
Cilindro de despulpado
Limpieza Mensual
Pechero
Ajuste de acuerdo al tamaño de la cereza de café Limpieza
Mensual
Engranes
Lubricación Trimestral
Sistema motor
Motor eléctrico
Inspección
Semestral
Polea y correa Rodamiento
Ajuste e inspección Lubricación
Trimestral
Semestral
Estructura Soldadura
Inspección
Semestral
128
Cuadro 9. (Continuación)
Sistema Sub sistema Actividad Frecuencia
Estructura Soldadura Inspección Semestral
Teniendo la ruta de inspección y los tiempos en los cuales se debe realizar cada
una de las tareas de mantenimiento, se describirá el procedimiento que debe
realizar el operario como se muestra en los cuadros 10-11-12-13.
Cuadro 10. Actividad de limpieza
Componente Descripción
Tolva
Eje alimentador
Verter agua y fregar con un trapo, verificando que no queden residuos dentro.
Cilindro de despulpado
Pechero
Retire la cubierta del cilindro, utilizar preferiblemente agua a presión y un cepillo de cerdas duras, refregar hasta remover las partículas adheridas.
Cuadro 11. Actividad de lubricación
Componente Descripción
Rodamientos
Los rodamientos no requieren de lubricación, solo se realiza al momento de reemplazarlos, asegurándose que la grasa no salga de la caja de cojinete.
Engranes Engrasar de manera uniforme dentro los dientes, retirando la gras sobrante.
Buje del eje alimentador
Retire el eje del buje, engrase el interior de este, luego vulva a montar el eje y ajústelo en su posición inicial.
129
Cuadro 12. Actividad de ajuste
Componente Descripción
Pechero
Utilice una llave de boca fija de 9/16”, afloje los tornillos que sujetan y separa el pechero hasta una distancia acorde con el tamaño de la cereza de café
Pole y correa
Desmontar la correa en caso de fisura y colocar una nueva, cumpliendo con las características del fabricante.
Tornillería Ajustar los tornillos de la base del motor
Cuadro 13. Actividad de inspección
Componente Descripción
Motor eléctrico
Se debe verificar el amperaje y el nivel de vibración del motor.
Eje alimentador Realizar una inspección visual del eje, verificando que no presente fisuras.
Soldadura
Inspeccionar las soldaduras de la estructura, en búsqueda de corrosión o fisura que puedan representar un riesgo.
7.3 MANUAL DE OPERACIÓN
Para un correcto funcionamiento de la máquina, se debe seguir paso a paso las
instrucciones del manual, el operario debe leer y obedecer cada uno de los ítems
del manual para obtener un desempeño adecuado y un producto de buena
calidad.
Una vez recolectado la cereza de café se debe despulpar para evitar que se
presente algún tipo de fermentación que pueda afectar la calidad de este, para
realizar este procedimiento se debe realizar la siguiente secuencia como se
muestra en el cuadro 14.
130
Cuadro 14. Proceso de operación
La máquina contara con una caja de control como se muestra en la figura 74, esta
va tener tres interruptores, uno de color ver que se encargara de energizar el
motor eléctrico y colocarlo en funcionamiento, el interruptor de color rojo apagara
el motor eléctrico deshabilitando la operación de despulpado y por ultimo un botón
de paro de emergencia en caso de detener la operación por algún imprevisto.
Debido a su fácil manejo no se tuvo en cuenta la colocación de más interruptores
ni sensores, no obstante se recomienda leer y seguir las normas de seguridad
establecidas en el numeral 7.1.
Figura 74. Caja de control
Fuente: Materiel electrique. [En línea]. Citado
Abril 20, 2016. Disponible en internet:
http://www.materielelectrique.com
7.4 MANUAL DE INSTALACIÓN
Para un buen funcionamiento el operario o la persona encargada de realizar el
montaje de la maquina debe realizar cada uno de los paso de acuerdo a las
indicaciones que se establecen en el manual, de esta forma se obtendrá un
correcto funcionamiento. Se debe tener en cuenta con el espacio que se tiene
Poner en marcha
la máquina,
verificando que
todo esté en su
posición.
Comprobar que la
cantidad de café
no supere los 50
kg al momento de
verterlo en la
tolva.
Inspeccionar y
tomar muestras
del grano de café
periódicamente.
131
disponible, este debe ser amplio para que el operario tenga fácil desplazamiento y
el producto pueda ser movido sin dificulta.
El montaje de la máquina, se divide en tres secciones, las cuales componen los
sistemas más relevantes.
7.4.1 Montaje de la estructura. La estructura se fija en el sitio donde se adecuo el
espacio para realizar el proceso. Este ira asegurado en el suelo por tornillos,
posteriormente se fija la carcasa de la maquina a la estructura como se muestra
en la figura 75, con tornillos.
Figura 75. Sujeción del motor
7.4.2 Sistema de despulpado. El montaje del sistema de despulpado, comienza
con la instalación del cilindro de despulpado que ira sujetado al eje motriz,
posteriormente se introducirá los rodamientos como se muestra en la figura 76,
por último se fijara el pechero a la estructura de la máquina y se calibrara de
acuerdo al diámetro del café.
132
Figura 76. Ensamble del eje de despulpado
7.4.3 Sistema de trasmision. El sistema de trasmisión está compuesto por el eje
alimentador, la polea y el engranaje como se muestra en la figura 77, estos
elementos se fijaran y se aseguraran con anillos de retención.
Figura 77. Ensamble eje de alimentación
133
8. IMPACTO AMBIENTAL
En la actualidad todo proceso que genere un bien o servicio tiene un impacto
ambiental en su entorno, este es el caso en el beneficio del café, el cual se debe
estudiar desde un marco jurídico y técnico, con el fin de establecer un mecanismo
donde se puedan mitigar los posibles problemas generados durante la operación
de despulpado. Las instituciones gubernamentales en Colombia, trabajan en
conjunto con los distintos gremios conformados en el sector agropecuario, uno de
ellos el sector cafetero, este, con el fin de desarrollar programas de investigación,
optimización e innovación de nuevos productos y procesos que mejoren la
productividad, adicionalmente esta cooperación ayuda a desarrollar políticas para
proteger los recursos naturales y el medio ambiente.
Cuadro 15. Marco jurídico
Código de los recursos naturales renovables y protección del medio ambiente. Decreto 2811 de 1974.
MARCO JURICO
Código Sanitario Nacional. Ley 9 de 1979.
Constitución política nacional 3. Delos derechos colectivos y del medio ambiente. Leyes 99 de 1993 Creación del SINA y MMA. 165 de 1994 Biodiversidad. 373 de 1997. Uso Eficiente Del Agua.
SECTOR CAFETERO
RESOLUCIÓN
3156 de 199.1Requisistos que deben cumplir los exportadores de café. 2 de 1991. Medidas conducentes a garantizar la calidad de café de exportación.
DECRETOS
1173 de 1991. Regulación de la política cafetera y otras disposiciones. 1408 de 1991. Señala procedimiento para el cálculo de contribución cafetera.
Fuente: FEDERACIÓN NACIONAL DE CAFETEROS. Guía Ambiental para el cultivo de café.
Bogotá, Diciembre de 2002. Pág. 8
134
Actualmente las políticas ambientales establecidas por la ley como se observa en
el cuadro 15, determinan los parámetros para desarrollar el diseño de la maquina
despulpadora de café, sin incurrir en alguna falta contra el medio ambiente,
haciendo esta práctica de despulpado amigable con el medio ambiente.
8.1 MATRIZ DE LEOLPOLD
Para medir el impacto ambiental generado por la máquina de despulpado de café,
se utiliza el método de Leolpold desarrollado por el servicio ecológico del
departamento del interior de los Estados Unidos. El cual consiste en la
elaboración de una matriz que evaluara y relacionara las causas y efectos
generados al medio ambiente. La matriz tendrá en sus filas los elementos y
características ambientales, mientras las columnas se colocaran las posibles
causas que afectara el medio ambiente.
8.1.1 Medición del impacto. Los factores de impacto generados se medirán en una
escala del 1 a 10, cada ítem a evaluar tendrá un valor ponderado, según lo
establece la matriz de Leolpold. Adicionalmente a la valoración, se plasmará una
línea en diagonal que identificara si el impacto es positivo o negativo
8.1.2 Importancia del impacto. De acuerdo a los resultados que se presentaran en
la matriz de Leolpold, se determinara la relevancia del impacto ambiental
generado por la maquina despulpadora de café, dicho impacto se medirá de
acuerdo a una escala como se muestre en el cuadro 16.
Cuadro 16. Importancia del impacto
Irrelevante 1 – 25
Moderados 25 – 50
Severos 51 - 75
Críticos 76 - 100
135
Tabla 20. Matriz de Leolpold
Construcción Operación Mantenimiento
Causas
Características ambientales
Ma
qu
ina
ria
Ad
ecua
ció
n
de
l sue
lo
Pin
tura
Decib
ele
s
Con
su
mo
de
ag
ua
Resid
uo
s
Lu
brica
ció
n
Lim
pie
za
Refr
accio
ne
s
Me
dio
Am
bie
nte
Agua Calidad del agua
-5
4 -8
2 -2 -4
7 -3
-2 4
consumo 0
3 -9
1 -1
5
Atmosfera Calidad del aire
4 -2
-4 2
Temperatura
Tierra Suelo
6 7
-2 0
-3 2
-4 5
Forma del terreno 2 -3
8 -2
Bio
div
ers
idad
Flora
Arboles 5 8
7 3
5 4
Otro cultivos 8
5
Arbusto 2 -4
8 7
Fauna Animales
3 2
2 -3
7 -2
2 -3
Insectos 2 -5
2 -4
2 -1
4 -1
136
8.2 ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL
El desarrollo u optimización de cualquier actividad en el campo debe buscar el
beneficio de los campesinos, sin embargo esto debe estar en total equilibrio sin
afectar el ambiente, de esta manera conservaran los recursos naturales para las
próximas generaciones, a la vez que se desarrolla una economía sostenida,
sustentable y amigable con el medio ambiente.
El resultado obtenido en la matriz de Leolpold nos muestra que hay un impacto
ambiental moderado, esto nos indica que debemos implementar ciertas medidas
para mitigar el daño que se pueda ocasionar. Uno de los factores más relevantes
que se presentó en la matriz, es la contaminación de las fuentes hídricas, esto,
debido al consumo de agua de la máquina.
Otro factor que se ve afectado por la implementación de la maquina es el suelo,
esto es causado por la necesidad de una superficie que se encuentre totalmente
nivelada y libre de cualquier vegetación o árbol que se pueda encontrar, al realizar
esta adecuación la maquina queda fija y pueda ser operada. También se deben
considerar los decibeles que se presenten una vez que la maquina este instalada
y en operación, lo cual representara un impacto ambiental en los animales que se
encuentren en la zona, a su vez la maquina generara otros posibles daños
ecológicos, como los residuos, un ejemplo de esto es la pulpa del café.
8.2.1 Medidas de mitigación. Una vez conocidos los posibles daños que se
pueden generar con el desarrollo de esta máquina agrícola, se recomienda
implementar algunas medidas que mitiguen el impacto ambiental, como:
Recolectar la pulpa en tanques para su debido proceso de compost, reutilizarlo
como abono natural a los cultivos de café y otros que tenga la finca.
Desarrolla un sistema de reutilización de agua con algún tipo de filtro natural, a su
vez que se disminuye el consumo de esta.
Al momento de realizar las adecuaciones del suelo para la instalación de la
máquina, se recomienda ser lo menos invasivo y cuidadoso con el entorno.
Tener un proceso de manejo de sustancias y elementos que normalmente se
generan al momento de realizar los procesos de mantenimiento preventivo
programados por el fabricante.
137
9. ANÁLISIS FINANCIERO
El proceso de fabricación, instalación y operación conlleva gastos que se deben
registrar meticulosamente para realizar una evaluación financiera precisa,
determinando los beneficios que se obtienen de mejorar el proceso.
El análisis se realizó de acuerdo a los costos y beneficios, de tal manera que se
puede ejecutar y poner en marcha, esto conlleva a definir ciertos criterios que
servirá para realizar nuestro horizonte del proyecto.
Para establecer los beneficios generados con la producción de café, se estableció
un precio promedio del valor que se comercializa la carga de café, según los
registros de los últimos años de la federación nacional de cafeteros.
El desarrollo del proyecto conllevo diferentes tipos de costos que se tuvieron en
cuenta, cada uno de ellos representaran las etapas del proyecto y definen si la
inversión es viable o no.
9.1 EVALUACIÓN DEL PROYECTO
El proyecto, teniendo en cuenta una inversión inicial, los costos generados en la
operación y un valor de salvamento o liquidación que representa la etapa final, el
proyecto se evalúa en un periodo de cinco años como se muestra en el siguiente
cuadro 17.
Cuadro 17. Horizonte del proyecto
138
9.1.1 Inversión inicial. La inversión del proyecto comienza desde el principio del
proyecto hasta la etapa final de este, la inversión se ve representada en los
estudios de ingeniería, los elementos de construcción tanto de la maquina como
del terreno y la puesta en marcha de la máquina.
La inversión fija representa los bienes tangibles o los costos de los elementos de
la maquina como se observa en el siguiente tabla 21, en el anexo J, se encuentra
la cotización de estos elementos.
Tabla 21. Inversión del proyecto
Elemento Cantidad Valor
unitario (pesos)
Total (Pesos)
Lamina de 50 cm x 50 cm acero inoxidable 304
1 110.000 11.0000
Tornillo de 1/4 " 8 350 2.400
Chumacera rodamiento eje alimentador
2 12.000 24.000
Chumacera rodamiento cilindro 2 15.000 30.000
Rodamiento RLS 14 (skf) 2 15.000 30.000
Polea 485 mm (Intermec) 1 180.000 180.000
Polea 75 mm (Intermec) 1 30.000 30.000
Eje alimentador en acero1020 (Mecanizado)
1 40.000 40.000
Eje motriz en acero 1040 (Mecanizado 1 63.000 63.000
Piñón 14 dientes en acero 1020 mecanizado
1 50.000 50.000
Engranaje 57 dientes en acero 1020 mecanizado
1 170.000 170.000
Fundición cilindro con rallo 1 120.000 120.000
Camisa en cobre electrolítico de 400 mm x 400 mm
1 60.000 60.000
Fundición Pechero 2 90.000 90.000
Fundición estructura 1 190.000 190.000
139
Tabla 21. (Continuación)
Elemento Cantidad Valor
unitario (pesos)
Total (Pesos)
Interruptor 1 25.000 25.000
Contactor 1 45.000 45.000
Relé térmico 1 45.000 45.000
Cable 12 AWG 3 6.000 6.000
Caja eléctrica 1 22.000 22.000
Motor eléctrico trifásico de 2 Hp a 1800 rpm
1 436.000 436.000
Total 1.768400
Desde el inicio del proyecto se estableció un presupuesto para desarrollar la
ingeniera del proyecto, parte del presupuesto se financiara por el autor y la otra se
financio por la universidad, como se muestra en la tabla 22.
Tabla 22. Inversión del estudio de ingeniería
Ítems Costo
Talento Humano 8.975000
Gasto maquinaria
1.922000
fungibles 239.000
Otros gastos 1.232000
Total 12.368000
La inversión total del proyecto incluye además del costo de las piezas y el estudio
de ingeniera, el montaje y la adecuación del terreno para su puesta en marcha,
esta inversión incluye materiales de construcción y salario de la persona que
instalara la máquina, tal inversión tiene los siguientes ítems como se muestra en la
tabla 23.
140
Tabla 23. Inversión de adecuación e instalación
Ítem Unidad Cantidad $/Unidad Total
Cemento Unidad 2 23.500 47.000
Arena ½ 65.000 65.000
Gravilla ½ 80.000 80.000
Cortadora Hora 2 25.000 50.000
Soldadura Hora 4 25.000 100.000
Montaje eléctrico
Hora 2 30.000 30.000
Obrero Jornal 2 28.000 56.000
Total
428.000
La inversión total del proyecto se resume en la siguiente tabla 24.
Tabla 24. Inversión total
Ítem Costo
Costo de la maquina 1.768400
Costo de ingeniería 12.368000
Costo instalación 428.000
Sub total 14.564400
Imprevisto (4%) 5,825760
Total 20.390160
Sumado la inversión inicial, se establece los costos que se producen por
operación y mantenimiento del equipo, los cuales se fijan de acuerdo a las horas
de trabajo.
9.1.2 Costo de operación. Los costos de operación incluyen los gastos de
mantenimiento, que se generan de acuerdo a las especificaciones del diseñador,
la frecuencia de operación es baja, esto debido a que en el año se presenta solo
dos temporadas de cosecha, lo cual hace que el mantenimiento se realice con
poca frecuencia estos valores se puede observar en la siguiente tabla 25.
141
Tabla 25. Costo de operación
Ítem Unidad Cantidad Valor
Unidad Total
Operario Persona.
Jornal 6 35.000 210.000
Mantenimiento Anual 1 120.000 120.000
Consumo eléctrico . Año 720 280 201.600
Total 531.600
9.1 3 Utilidades del proyecto. La máquina se diseñó para aumentar la cantidad de
café despulpado por hora de 350 kg/hora a 850 kg/hora, disminuir el daño de los
granos y el consumo de agua, que generan pérdidas al caficultor, el análisis se
realizó pensando en los beneficios de despulpar mayor cantidad de café
reduciendo los daños y el consumo con respecto a la máquina que se utiliza
ahora. Actualmente las fincas generan 1700 kg al año, sin embargo con la
maquina actual, solo se despulpa 600 kg, la otra cantidad de café se pierde o se
vende a un precio inferior, generando pérdidas equivalente a unos 3.891000. De
acuerdo a la cantidad de café recolectado y la cantidad de café que se va a
despulpar con la nueva máquina, calculamos la ganancia como se muestra en la
tabla 26.
Tabla 26. Beneficio del despulpado
Ítem Unidad Numero de
cargas $/Carga total
Café despulpado anual 8,8 684.250 6.021400
De acuerdo a la tabla anterior, las fincas pueden procesar en su totalidad la
cantidad de café recolectado en el año.
9.2 ANÁLISIS FINANCIERO
El análisis se realizó por el método de valor presente neto (VPN), donde se definió
unos criterios como, una rentabilidad del 12 %, un tiempo de evaluación de 5 años
y el valor del peso constante sin tomar la inflación, esto con el fin obtener una
respuesta acorde a la solución planteada.
9.2.1. Valor presente neto. Todos los flujos se llevan a valor presente neto, si el e
valor obtenido es positivo, el proyecto es viable y si es negativo el proyecto no es
viable.
142
Ecuación 44.Valor presente neto
( ) ( )
( ) ( )
( )
Dónde:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
De acuerdo al resultado anterior, el proyecto es viable y se garantiza la
recuperación de la inversión.
143
10. CONCLUSIONES
La máquina despulpadora de café diseñada, cumple con los requerimientos de
diseño establecidos, mejorando la producción y disminuyendo las pérdidas
generadas por daño a los granos de café.
La máquina, tendrá la capacidad de despulpar diferentes variedades de café,
gracias al sistema de calibración del pechero, que permitirá despulpar cerezas
de café de diferentes diámetros.
La despulpadora de café, no tendrá que ser ubicada en espacios especiales,
esta puede ser ubicada en cualquier sitio, siempre y cuando se garantice la
conexión a un punto un eléctrico.
La reducción del consumo de agua, permite tener un impacto de ambiental
mínimo en comparación con el proceso de despulpado que tiene actualmente
la producción de café en estas tres fincas, contribuyendo positivamente en la
conservación de los sistemas hídricos de esta vereda.
El proyecto es económicamente viable, de acuerdo al estudio financiero
realizado, donde se tiene una recuperación de la inversión y una mejora en la
calidad de vida de los campesinos de estas tres fincas.
Al realizar el estudio específico de las condiciones de trabajo, se concluyó que
el diseño desarrollado al ser más robusta garantiza estabilidad y se sitúa de
manera exacta a la altura del operario mejorando la condición ergonómica de
este.
144
11. RECOMENDACIONES
Se recomienda la implementación de un sistema de alimentación de banda,
para mejorar la producción y disminuir el esfuerzo físico realizado por el
operario.
Evaluar la posibilidad de automatizar el proceso, donde se despulpe, clasifique
y se lave el café para luego secar, disminuyendo el tiempo de producción.
Se recomienda evaluar la reutilización de los residuos generados en el
proceso, para su utilización como abono a los cultivos de café, disminuyendo la
utilización de elementos químicos.
145
BIBLIOGRAFÍA
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de café despulpado en pequeños productores.
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desarrollo, prolongación arenales 801 de 2013.
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(ICONTEC).maquinaria agrícola, despulpadoras de café, agricultura machinery,
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INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Colombianas para la presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. Sexta actualización. Bogotá D.C.: ICONTEC, 2008, NTC 1486. INTERMEC. Transmisión de potencia. Poleas en V. [En línea] 2016. [Citado en Marzo de 2016]. Disponible en internet: http://www.intermec.com.co/pdf/manual.poleas en. intermec.pdf. MOTT Robert. Diseño de elementos de máquinas. Cuarta edición. México Pearson, 2006. PH.D. EN INGENIERÍA AGRÍCOLA. Investigador Principal, Centro Nacional de
Investigaciones de café (CENICAFÉ), Chinchiná. Caldas, Colombia.
R.C.Hibbeler. Mecánica de materiales. Sexta edición. México Pearson, 2006.
146
ANEXOS
147
ANEXO A CATÁLOGO DE MOTORES
148
149
ANEXO B PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS DEL ACERO ASI-SAE1020
150
151
ANEXO C PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS DEL ACERO ASI-SAE 1040
152
153
ANEXO D CATÁLOGO DE RODAMIENTOS SKF
154
155
ANEXO E
PROPIEDADES DEL ACERO INOXIDABLE ASI-SAE 304
156
157
ANEXO F PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA FUNDICIÓN GRIS ASTM 20
158
159
ANEXO G CATÁLOGO DE TORNILLOS
160
161
ANEXO H PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ASTM A 500
162
163
ANEXO I CATÁLOGO DE PERFIL CUADRADO
164
165
ANEXO J COTIZACIONES
166
167
168
169
170
