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INSTIT
ESCUELA SUPERIO
“MÁQUINA VER
BARRA
HERN N
M. EN C.
ING. CAR
TO POLIT CNICO NACIONAL
DE INGENIER A MEC NICA Y EL
NDAD AZCAPOTZALCO
TESIS:
ICAL PARA LA EXTRACCI N DE
PRESENTAN:
AS HURTADO JOSÉ EDUARDO
EZ GUADARRAMA ALEJANDRO
DIRIGEN:
LUIS ENRIQUE SOTO MUCI O
OS ADRIÁN AMEZCUA MAGAÑA
CTRICA
IEL”
BRIL 2013
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“A mi madre quiensiempre me ha
apoyado, y que sin suguía no habría llegadohasta este punto, ungran ser que el cielome dio la dicha de
conocer”
Gracias.
“A todos aquellos queme brindaron su apoyo
y a los que no lo
creyeron posible,sobretodo a esos seresmaravillosos que son
mis padres”
Mil gracias.
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IV
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN ..................................................................................................................... IX
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... - 11 -
PROTOCOLO DE TESIS .......................................................................................... - 14 -
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................... - 15 -
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... - 16 -
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................. - 16 -
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... - 16 -
CAPÍTULO I ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE ............................................. - 18 -
1.1 CONTEXTO HISTÓRICO ............................................................................ - 19 -
1.1.1 En América ............................................................................................ - 20 -
1.1.2 En Europa .............................................................................................. - 20 -
1.1.3 En Grecia ............................................................................................... - 21 -
1.1.4 En Roma ................................................................................................ - 21 -
1.1.5 En Egipto ............................................................................................... - 21 -
1.2 CONTEXTO TECNOLÓGICO ...................................................................... - 22 -
1.2.1 Métodos Rudimentarios ......................................................................... - 23 -
1.2.2 Prensado ............................................................................................... - 24 -
1.2.3 Centrifugado .......................................................................................... - 25 -
1.3 CONTEXTO SOCIAL ................................................................................... - 27 -
1.4 CONTEXTO NORMATIVO ........................................................................... - 29 -
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VI
3.2.3 Diseño de la programación ....................................................................... - 77 -
3.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE SEGURIDAD ...................................................... - 78 -
3.3.1 Elementos de detección ............................................................................ - 79 -
3.3.2 Lineamientos de regulación ...................................................................... - 80 -
3.4 DISEÑO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL ......................................................... - 81 -
3.4.1 Ergonomía ................................................................................................. - 81 -
3.4.2 Estética ..................................................................................................... - 82 -
3.5 INTEGRACIÓN DE TECNOLOGÍAS ............................................................... - 82 -
3.5.1 Ensamble de partes .................................................................................. - 83 -
3.5.2 Funcionamiento preliminar ........................................................................ - 84 -
3.6 MANTENIMIENTO DEL SISTEMA .................................................................. - 84 -
CAPÍTULO IV ANÁLISIS ECONÓMICO ................................................................... - 86 -
4.1 COSTOS DEL PROYECTO. ............................................................................ - 87 -
4.2 PUNTO DE EQUILIBRIO. ................................................................................ - 89 -
ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................... - 95 -
Conclusiones ......................................................................................................... - 96 -
Recomendaciones ................................................................................................. - 97 -
FUENTES DE INFORMACIÓN ................................................................................. - 98 -
Bibliográficas ......................................................................................................... - 99 -
Manuales, folletos y revistas .................................................................................. - 99 -
Webgráficas ........................................................................................................... - 99 -
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VII
GLOSARIO .............................................................................................................. - 100 -
Glosario de términos ............................................................................................ - 101 -
Glosario de abreviaturas ...................................................................................... - 105 -
ANEXO 1 PLANOS DEL SISTEMA ..................................................................... - 107 -
ANEXO 2 MANUALES, FOLLETOS Y REVISTAS ............................................. - 117 -
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS
Figura 1.1 Batea para la extracción de miel por medio de gravedad ..................................................... - 23 -
Figura 1.2 Prensa para la extracción de miel .......................................................................................... - 24 -
Figura 1.3 Extractor de eje horizontal, capacidad 120 cuadros .............................................................. - 26 -
Figura 1.4 Extractor de eje vertical, capacidad 12 cuadros .................................................................... - 27 -
Figura 2.1 Carcasa Exterior. ................................................................................................................... - 33 -
Figura 2.2 Bastidor para el soporte de cuadros de miel. ........................................................................ - 33 -
Figura 2.3 Sistema de transmisión, impulso manual .............................................................................. - 34 -
Figura 2.4 Panel de control. .................................................................................................................... - 35 -
Figura 3.1 Interacción entre la mecánica y el control.............................................................................. - 42 -
Figura 3.2 Vista frontal de un cuadro de miel ......................................................................................... - 44 -
Figura 3.3 Modelado del diseño del bastidor. ......................................................................................... - 47 -
Figura 3.3 Modelado del diseño de la carcasa exterior .......................................................................... - 48 -
Tabla 1. Selección del factor de servicio. ................................................................................................ - 53 -
Tabla 2. Recomendaciones para la selección del tamaño de perfil en correas estrechas. .................... - 54 -
Tabla 3. Recomendaciones para la selección del tamaño de perfil en correas normales...................... - 54 -
Tabla 4. Valores recomendados de diámetro primitivo mínimo para poleas. ......................................... - 55 -
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VIII
Tabla 5. Valores del coeficiente del ángulo de contacto. ........................................................................ - 59 -
Tabla 6. Valores de potencia adicional para la correas tipo 3V. ............................................................. - 59 -
Figura 3.4. Dimensionamiento para perfil de correas tipo B ................................................................... - 60 -
Figura 3.5. Modelado de las poleas. ....................................................................................................... - 61 -
Figura 3.6. Propuesta de dimensionamiento para el árbol de transmisión. ............................................ - 62 -
Figura 3.7. Modelado del árbol de transmisión. ...................................................................................... - 63 -
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero 304. .................................................................................... - 64 -
Figura 3.8. Modelado de las chavetas. ................................................................................................... - 70 -
Figura 3.9. Modelado de la canasta. ....................................................................................................... - 71 -
Figura 3.10 Variador de frecuencia para motores trifásicos. .................................................................. - 73 -
Figura 3.11 Diagrama de bloques del variador de frecuencia. ............................................................... - 74 -
Figura 3.12 Convertidor de frecuencia CFW 10 EASYDRIVE. ............................................................... - 75 -
Figura 3.13 Diagrama de control eléctrico. ............................................................................................. - 77 -
Figura 3.14 Ensamblaje del nuevo sistema. ........................................................................................... - 83 -
Gráfica 1. Reflejo del punto de equilibrio del sistema HE-001. ............................................................... - 90 -
Gráfica 2. Gráfica que muestra el punto de equilibrio en el escenario “A”. ............................................ - 93 -
Gráfica 3. Gráfica que muestra el punto de equilibrio en un escenario “B”. ........................................... - 94 -
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IX
RESUMEN
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X
La producción agropecuaria es de suma importancia para las economías
modernas, pues es gracias a estos productores que se generan cada vez más
ingresos.
No obstante, estos productores se ven afectados por la carencia de procesos de
calidad, pues todos realizan sus procesos por medios rudimentarios, los cuales
cada vez presentan más perdidas, ya sea de capital o de producto final.
Es por esto que debemos dar un vistazo a la situación actual en el campo de
producción agropecuaria, para ir de la mano con los productores apoyándolos en
la mejora de sus procesos.
Dicha mejora, presenta el reto de diseñar, presentar y generar sistemas
automatizados que puedan sustituir los métodos tradicionales de producción conel fin de dar a los productores la confianza de saber que todos sus procesos son
de la más alta calidad y lo más importante, que sepan que ya no presentaran
perdidas y que sus tiempos de producción serán reducidos considerablemente.
Para la elaboración de la presente obra, se ha empleado la metodología RESO; la
cual, apoyó de gran manera para esto; siendo esta la estructura principal de esta
obra. Dicha metodología menciona que a lo largo de la estructura del presente se
deben desarrollar a modo de capítulos los siguientes puntos:
• Estudio del Estado del Arte. El cual busca integrar todos aquellos Contextos
que apliquen para desarrollar el Proyecto, éstos contienen información del
tipo histórico, tecnológico, ambiental, normativo-legal, organizacional,
geográfico, político, cultural, entre otros.
• Análisis del sistema actual. La finalidad de éste es llevar
metodológicamente al Equipo de Trabajo a la búsqueda tanto de la
problemática delimitada como el dictar la solución a desarrollar.
Diseño del nuevo sistema. Como el nombre lo indica en este se presenta lasolución a la problemática, la cual se realiza desarrollando el Diseño Mecánico, elDiseño de Control, la Cibernética del Sistema, los Cambios y Ajustes,Funcionamiento, Mantenimiento, Entrenamiento y Capacitación.
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INTRODUCCIÓN
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- 12 -
En tiempos modernos de competencia mundial y globalización, la generación de
productos alimenticios de excelente calidad promueve a los productores
agropecuarios, generándoles un alza en sus ingresos y un aporte a la sociedad de
alto impacto.
Es por eso que para generar dicho aporte, los productores agropecuarios deben
contar con el equipo necesario para poder llevar a cabo la generación de sus
productos; desafortunadamente, se está pasando por un momento en que la calidad
de los productos alimenticios que se consumen deja mucho que desear.
Así pues, con un deseo de ayudar en la mejora de la producción de dichos
productos, se ha llevado a cabo la realización de este trabajo, el cuál esta destinado
a apoyar a los productores apícolas, pues son estos los que lo requieren más.
El presente trabajo consta de un equipo que apoye a los productores en la
generación del producto que venden; el cual esta pensado para dar al apícola una
mayor generación del producto final y así mismo estar dentro de los parámetros de
calidad, normas y leyes aplicables.
Antes de pensar en un equipo funcional, hay que conocer lo mejor posible el
producto con el que trabajará (la miel), esto se aborda en el Capítulo I, el cuál tiene
como función darle a conocer al lector todos los datos históricos, tecnológicos y
sociales que mas impacto han tenido, abordando así la evolución que se ha tenido
en el manejo y la generación de la misma, es decir, su extracción.
El siguiente capítulo hace mención de los sistemas actuales que se emplean para la
extracción de la miel, para lo cual es necesario hacer un diagnóstico y un análisis de
los mismos, abordando su estructura, sistemas de impulsos, de control y de
seguridad, pues estos pueden servir de guía para el desarrollo del equipo ya
mencionado.
A su vez, se realizará un diagnostico al sistema que se ha pensado para desarrollar
dicho equipo y se seleccionará la problemática que este cubrirá.
En el capítulo III, se aborda el diseño del equipo, desarrollando el diseño mecánico,
es decir, la forma que este tendrá y de cuantas partes se conforma; del mismo modo,
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- 13 -
se desarrollará el sistema de control eléctrico, un sistema de seguridad eficiente para
evitar cualquier tipo de accidentes y/o percances que puedan llegar a ocurrir y un
diseño de ingeniería. Así mismo, se ha pensado explicar de forma clara al lector
como es que se integran las tecnologías actuales en dicho equipo.
El capítulo IV presenta un análisis económico que se realizó, es decir, se evaluaron
los costos de producción del equipo y de los componentes del mismo; así mismo se
estudia el punto de equilibrio, donde se presenta la situación económica a la que se
enfrentan los productores para su generación y dos escenarios generados con la
marcha del equipo, así como las ganancias de los productores y el tiempo en el que
recuperar su inversión.
Las resultados del equipo se presentan en el apartado de análisis de resultados,
donde se presentan las conclusiones de la obra y las recomendaciones sobre el
equipo para futuras ocasiones que se realice un estudio similar.
Por último en el apartado de anexos, se presentan todos los planos de ingeniería, es
decir, los planos del diseño de todos los componentes del equipo, los planos de
control eléctrico y todos los manuales y normas que sirven de apoyo para la
realización del presente.
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PROTOCOLO DETESIS
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Durante las últimas décadas las demandas de calidad alimenticia internacional han
venido exigiendo a los apicultores un aumento en la calidad de sus producto; los
niveles de calidad del producto final que estos ofrecen se ve directamente influido por
el método y la maquinaria que se utilice para la extracción de la miel.
Siendo el caso que en la asociación de apicultores de Santa Rosa,Hidalgo, no
cuentan con una maquinaria capaz de realizar una correcta extracción del producto
final, en algunas ocasiones dicho proceso se lleva a cabo por métodos rudimentarios
o maquinarias arrendadas cuya eficiencia no es la adecuada, y el mantenimiento de
las mismas ha sido escaso, afectándose así la calidad del producto que se pretende
comercializar.
En otro caso se ha visto que los apicultores intentan y pocas veces consiguen
adquirir maquinaria extranjera capaz de realizar una buena extracción de la miel.
Aunque estas maquinas son altamente eficaces en el proceso que realizan,
representan un costo bastante elevado para los apicultores, un gasto cuya
recuperación tarda un periodo considerable de tiempo. Y generalmente antes de
conseguir recuperar la inversión de estas maquinasya requieren mantenimiento, lo
cual representa otro gran obstáculo para los apicultores, debido a que los repuestosde estas maquinas no son de fácil acceso en el territorio nacional y así mismo las
personas que manejan estos equipos no tienen los conocimientos o la capacitación
para realizar el mantenimiento de estos equipos.
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OBJETIVO GENERAL
Desarrollo de una máquina capaz de la óptimaextracción del producto de los cuadros
de miel contenidos en los colmenares
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Llevar el diseño de la máquina de tal forma que cumpla las normas de calidad
requeridas hacia los apicultores y cumplir con la normativa sanitaria para el
consumo alimenticio.
• Elaborar un diseño para la etapa de recolección del producto posterior a suextracción de los cuadros de miel, dicho diseño deberá reducir las pérdidas
actuales del producto final.
• Implementar un sistema de control de tiempo y velocidad, para realizar los
cambios que lleguen a ser necesarios en la extracción de miel.
• Proponer un diseño de bajo costo que sea accesible para los apicultores y que al
mismo tiempo cumpla con las características de calidad.
JUSTIFICACIÓN
La idea de desarrollar este estudio nace de la necesidad de contar con una máquina
que permita llevar a cabo el proceso productivo de extracción de miel en la
comunidad apícola de Santa Rosa,Hidalgo de forma eficaz y eficiente.
Dicha necesidad va encaminada a su vez con las normas de calidad que ahora les
son exigidas a los apicultores para poder comercializar su producto a nivel
internacional, es por esto que es de suma importancia llevar el diseño de forma que
se ajuste a las normas sanitarias para el consumo alimenticio.
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Así mismo la maquina debe de contar con un sistema de control de tiempo y
velocidad que le permita ajustar estas variables en cada ciclo de extracción,
dependiendo de las necesidades que tenga el apicultor. El hecho de llevar un control
ajustable es debido a que en diferentes momentos del año existe una demanda
diferente del producto.
Pero no se puede dejar de lado la cuestión monetaria del diseño de esta
máquinaporque este es uno de los puntos principales para los apicultores, pues no
cuentan con el suficiente recurso monetario para adquirir maquinaria de origen
extranjero, es por esto que el diseño de esta propuesta de máquina pretende
solucionar los principales problemas de la comunidad apícola de Santa Rosa,
Hidalgo; esta debe desarrollarse al costo más bajo posible sin perder de vista los
puntos anteriores de calidad, eficiencia y eficacia.
Por último se debe poner un cuidado especial en la etapa de recolección del
producto posterior a su extracción ya que ni las maquinarias de importación cuentan
con un sistema tan eficaz pues presentan sistemas que aun tienen una considerable
pérdida de producto;serátambién de vital importancia cuidar este aspecto para
reducir en gran medida las pérdidas de producto y así aumentar la rentabilidad de
esta actividad económica
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CAPÍTULO IESTUDIO
DEL ESTADO DEL
ARTE
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La miel es un producto natural que tiene su origen en una secreción azucarada de
las flores y de otras partes ajenas a dicha flora. En el primer caso, la miel se
denomina floral y en el segundo se llama miel de mielada. La duración de la miel es
el resultado complejo de una serie de interacciones al interior de la colmena, que
dependen del número de abejas que intervienen, lo mismo que de la fortaleza de lacolmena y del volumen de néctar recolectado. A medida que es mayor el número de
abejas involucradas en la celda, mayor es el grado de deshidratación o maduración
que adquiere la miel y mayor es su contenido de enzimas [13].
Existen diferentes tipos de miel que dependen fundamentalmente de las
características del néctar de las flores o de otras excreciones vegetales o animales
que abundan en la zona donde las abejas realizan su trabajo. A grandes rasgos la
miel puede ser clasificada en tres tipos:
a) Miel multiflora:Es aquel tipo de miel formada a partir de muchas flores,
ninguna de las cuales puede considerase como la de mayor proporción
b) Miel monofloral: Es aquella en cuya composición abunda principalmente una
especie concreta de flor, cuyo polen resulta predominante.
c) Miel de mielada o miel de bosque: es aquella que no está forma a partir de las
flores, sino a partir de las secreciones de ciertas plantas o de las secreciones
de ciertos animales que ingieren la savia de las plantas.
1.1 CONTEXTO HISTÓRICO
La apicultura nace cuando el hombre intenta conocer el mundo de las abejas.
Si se analiza etimológicamente la palabra apicultura,se puede observar que proviene
del latín Apis (abeja) y Cultura (cultivo), es decir, la ciencia que se dedica al cultivo
de las abejas o a la cría de las abejas, ya que se trata de animales [12].
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1.1.1 En América
En América no existían las distintas especies del género Apis, y las culturas
establecidas en la zona utilizaron las abejas sin aguijón, o sea las llamadas
meliponas.
La historia de la apicultura maya es sumamente interesante y muy representativa del
resto del área mesoamericana. Los mayas cortaban los troncos en donde existían
panales, los transportaban al alero de su vivienda y los cuidaban hasta el momento
de la cosecha.
Con la llegada de los españoles a América, la apicultura fue considerada como
monopolio real y exclusivo de España con su abeja europea o Apis melífera. No
obstante debido a las actividades religiosas surgió una fuerte demanda de la cera deabeja, utilizada para fabricar velas. Desafortunadamente, con la introducción de la
caña de azúcar y el desarrollo de grandes haciendas azucareras en la región central
de la nueva España, la miel pasó a segundo término como producto, la necesidad de
utilizarla como endulzante se redujo y solo se le empleaba para la fabricación del
balché.
1.1.2 En Europa
La apicultura en esta zona se remonta a los primeros pobladores, un ejemplo claro
fueron los Celtas quienes en sus primeras técnicas utilizaban corteza de árbol para
construir unos cuadros en los cuales colocaban las abejas para que formaran su
panal.
Esta primera especie de panal, era colocada en una zona floral cercana a su
asentamiento para poder cuidar de las abejas, estos primeros pueblos se dieron
cuenta de la utilidad que tiene el humo para dormir a las abejas y así poder sustraerla miel del panal.
Aunque en realidad no se tiene mucha información acerca de la utilización que le
daban estos pueblos a los productos apícolas se ha estipulado que iban desde el
consumo hasta la utilización en rituales ceremoniales.
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1.1.3 En Grecia
Todos los griegos eran desde su infancia alimentados con una mezcla fortificante de
leche y miel que le llamaban melikatron, y no había una sola comida sencilla osuntuosa en la que no figurase la miel en panal. Como alimento de vida por
excelencia, la miel era también, según Pitágoras y Demócrito, fuente de longevidad y
de poderío intelectual. Los dos filósofos, que la utilizaban en la fabricación del pan
que comían cada día, le atribuyeron a la miel, el haber llegado a una edad avanzada
sin enfermedad alguna. La miel era igualmente empleada en la cocina propiamente
dicha, por ejemplo en los guisos y salsas de Atenas.
En esta sociedad con el paso del tiempo comenzó la fabricación de canastas demimbre las cuales fueron utilizadas como colmenares. En muchas zonas de Europa
aún existen estos tipos de colmenares.
1.1.4 En Roma
Los romanos, muy amantes de la miel, apreciaban de una manera muy particular las
mieles de Sicilia, Córcega y Cerdeña. Los romanos servían la miel al principio de la
comida en forma de viejo vino melificado, el mulsum y luego en el segundo servicioen su forma ordinaria y finalmente en el postre en forma líquida o en panales. Un
plato de entrada particularmente valorado en la época de Nerón, era el lirón
preparado con salsa de miel.
Es bien sabido que la cultura romana absorbió en gran medida muchas de las
cuestiones culturales de los griegos, un claro ejemplo de esto son las ya creadas
canastas de mimbre griegas para su utilización como colmenares.
1.1.5 En Egipto
Los antiguos egipcios que conservaban los cadáveres dentro de miel pusieron de
manifiesto el poder antiséptico de esta materia altamente azucarada. De la misma
manera, utilizaban la miel como ungüento sobre las llagas o heridas habiéndose
percatado de que aseguraba una rápida y franca cicatrización. Esta propiedad,
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descubierta empíricamente, pone igualmente de manifiesto la actividad
antimicrobiana y regeneradora de la miel. También conocían sus efectos favorables
en enfermedades del tubo digestivo, de riñón y de los ojos lo mismo que en
enfermedades de la piel. En la cosmetología egipcia la miel era uno de los
ingredientes principales de las cremas de belleza, por sus propiedades cicatrizantes,su efecto tonificante y sus cualidades suavizantes, la convertían en el ingrediente
favorito en todas las cremas y cosméticos faciales de esa época.
En el antiguo Egipto y regiones circundantes se usaron colmenas de caños (tubos
largos hechos de barro y otros materiales), colocados en forma horizontal y apilados
uno junto a otro.
En algunas comunidades agrícolas se desarrollaron técnicas para fabricar recipientes
de paja o de cerámica y estos canastos también se usaron para cobijar a las abejas.
1.2 CONTEXTO TECNOLÓGICO
Desde los tiempos de los antiguos egipcios y celtas (en Europa) la fase de extracción
de miel fue muy similar en todas partes del mundo. La idea principal era utilizar el
humo producido por la quema de madera para así poder dormir a las abejas
sustraerlas de la colmena y poner esta colmena en vasijas, para recolectar el
producto por medio de escurrimiento.
En las últimas décadas el proceso extractivo de miel ha sufrido considerables
cambios, dichos cambios han mejorado la extracción de este producto reduciendo
considerablemente la merma del producto; aunque desafortunadamente estas
maquinas de "nueva generación" se encuentran en países en los cuales la actividad
apícola es una gran fuente de ingresos para dichos países, tal es el ejemplo de
España o Argentina, a diferencia de México quien también podría ser un granproductor mundial de miel.
En México aun se utilizan en la mayoría de los lugares maquinaria de importación,
rentada, o métodos "rudimentarios" para la extracción de su producto, el último de los
ejemplos es la situación actual en la que se encuentra la comunidad apícola de
Santa Rosa, Hidalgo.
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1.2.1 Métodos Rudi
Este método se ha emp
dedicarse a la crianza
modificaciones a lo largo d
los cuadros de miel del pa
la capa de cera que recub
celdas o cuadros de mie
extracción mediante grav
natural la miel comience a
(Véase figura 1.1) del cual
Figura 1.1 Bate
Es importante mencionar
tiempo para la extracción
producto, dicha perdida se
Aunque el método rudime
vuelve obsoleto ante la co
las cantidades que requie
método es rechazado por l
entarios
leado desde que el hombre comenzó
de animales, este método ha sufrid
l tiempo, actualmente la idea principal con
nal, aplicarle un desoperculado manual, e
re las celdas[14] posterior al desoperculado
l en unos contenedores, en los cuales
dad, es decir, se colocan de forma tal
escurrir desde los cuadros hasta el recipi
posteriormente se realizará el filtrado y dre
para la extracción de miel por medio de graved
que este método además de que requi
del producto final, presenta una pérdida
refiera al 20% del producto total.
tario haya logrado continuar hasta nuestr
petencia mundial; este método no puede
re el mercado mundial de la miel, es po
s grandes productores actuales de miel.
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a agruparse y
o muy pocas
siste en extraer
decir, eliminar
se colocan las
se procede la
ue por acción
nte contenedor
ado de la miel.
ad
ere demasiado
onsiderable de
os días este se
llegar a proveer
esto que este
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1.2.2 Prensado
Este es un método no tan reciente, el cual a pesar de la efectividad que tiene no es
un método tan utilizado por que si bien no presenta una pérdida significativa de
producto si lo hace en la materia prima.
Los cuadros de miel son metidos en una prensa o tornillo sin fin (Véase figura 1.2),
hay de muchos tipos y capacidades. La miel obtenida, arrastra gran parte del polen
que contienen los panales además de otras impurezas; cristaliza más rápido que las
obtenidas por centrifugado. Son utilizadas por los apicultores aficionados o los
profesionales que extraen mieles tan viscosas, que no se pueden sacar en los
extractores de fuerza centrífuga. Con el prensado, los panales de cera son
destruidos, no pudiéndose utilizar de nuevo en las colmenas. Por el contrario, seobtiene mucha más cera que en el centrifugado. Hasta el año de 1865 toda la miel
era extraida mediante prensas.
Figura 1.2 Prensa para la extracción de miel
Si bien la única pérdida que se presenta en este equipo es la de los cuadros de miel,
no es tan viable para mieles comerciales de baja viscosidad, puesto que para los
apicultores de este tipo de miel la pérdida de cuadros representa más gasto que la
pérdida del 20% de miel comparado con el método rudimentario.
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1.2.3 Centrifugado
Estos extractores están basados, como su nombre lo dice en la fuerza centrífuga. La
idea principal en este tipo de extractores es hacer rotar los cuadros de miel a unadeterminada velocidad, así por influencia de la fuerza centrífuga generada por la
velocidad de rotación, la miel comienza a desprenderse de los cuadros, para generar
una óptima extracción de miel la máquina debe permanecer en operación un
determinado tiempo, el cual está en función de la cantidad de cuadros introducidos
en el extractor.
Es el método más empleado a nivel mundial, solo en algunos países africanos y
asiáticos se sigue empleando la prensa, debido a la incapacidad económica de
acceder a otros métodos más modernos.
Hay muchas clases de extractores centrífugos de miel, pero podemos dividirlos en
dos grandes grupos: los de eje horizontal y los de eje vertical.
Este tipo de extractores esencialmente se componen de:
•
Un bastidor que soporta los cuadros y gira rápidamente alrededor de su ejevertical u horizontal.
• Una cuba para recoger la miel.
• Un motor o una manivela y un dispositivo de arrastre de la caja o bastidor,
engranaje, correa, disco de fricción.
Un paso por el extractor dura de siete a cuarenta y cinco minutos, según el tipo de
aparato empleado, el diámetro de la caja, su velocidad, la viscosidad y temperatura
de la miel.
a) Eje Horizontal
Los extractores de eje horizontal (Véase figura 1.3) pueden albergar de 40 a 200
cuadros de miel por ciclo de extracción. Este tipo de maquinaria es comúnmente
empleada en las grandes y modernas explotaciones apícolas del mundo.
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Figura 1.3 Extractor de eje horizontal, capacidad 120 cuadros
Aunque efectivas para la extracción de miel, el gasto en una máquina extractora de
este tipo solo es justificable para los grandes productores apícolas. En primera
instancia se debe al enorme gasto que representa la adquisición de un equipo de
este tipo, además del requerimiento de un amplio espacio para su colocación.
Y así mismo es de considerarse que el gasto de mantenimiento y de piezas de
repuesto es también elevado.
b) Eje Vertical
Los extractores verticales (Véase figura 1.4) cuentan con la misma eficiencia que
tienen los de eje horizontal. Sus diferencias radican en: la capacidad de cuadros por
ciclos de extracción, que aunque en esta máquina es menor (de 12 a 48 cuadros por
ciclo), su ventaja radica en el tamaño de la maquina, que al ser de menor tamaño
que los de eje horizontal representa un menor gasto de adquisición, así como, el
espacio requerido para su colocación es mucho menor.
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Se ubicará el proyecto dentro de un área específica y la manera como se va a
manifestar dentro del conocimiento general. Como es, sus características, y los
efectos que produce, qué dispositivo está usando, quién es la persona interesada,
yotros aspectos como restricciones físicas.Existen varias circunstancias que
condicionan el proyecto que pueden ser étnicas, ecológicas, geográficas,económicas, tecnológicas, teóricas, culturales, religiosas, filosóficas, etc.
La implementación de un extractor de miel (una máquina que disminuya el tiempo de
extracción), responde a la necesidad de mejora de los métodos extractivos de miel,
en plantaciones apícolas que desean elevar su producción; tal es el caso de la
comunidad apícola de Santa Rosa, poblado mexicano ubicado a 20° 13’ 00’’ al norte,
98° 55’ 00’’ al oeste, y cabecera del municipio El Arenal, en el Estado de Hidalgo, a
una altitud de 7112 metros sobre el nivel del mar (msnm).
En esta comunidad apícolaen particular no cuentan con una máquina capaz de
realizar una rápida y eficiente extracción del producto final. Y aunque desean adquirir
una, su alto costo no se los permite.
Mientras la demanda de este producto va en aumento, cada día es más visible la
necesidad de contar con una máquina que realice la extracción del producto en
forma automática.
Actualmente muchos de los apicultores nacionales comienzan a automatizar la forma
en la que extraen su producto, pero su principal obstáculo es la falta de empresas
que fabriquen estos equipos en el país, su soluciónmás factibles hasta ahora era la
de arrendar maquinas (de accionamiento manual) a otros apicultores aun que estas
no se encuentren en optimas condiciones.
La máquina a implementar tambiénsatisface el confort del propietario porque solo
basta con el accionamiento de un botón para comenzar el ciclo de extracción de miel,
este mercado a nivel nacional solo cuenta con unos cuantos extractores manuales,
los cuales como se explicó anteriormente dependen de un operario. La eficiencia de
estos extractores depende directamente del operario; implementando un extractor
automáticose garantiza siempre la misma eficiencia del equipo
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En términos de tecnología y sistemas, la automatización de procesos se ha
desarrollado en paralelo con el desarrollo de nuevas tecnologías. Las soluciones
actualmente desplegadas incorporan el uso de una amplia gama de tecnologías.
Los apicultores que no cuentan con extractores automatizados, tendrán la
oportunidad de adquirir estos equipos, (podrán aumentar la venta de sus productos
en el mercado mundial). La gente estaría más tranquila al saber que la
inversióngenerada porla adquisición de estos equipos significará un aumento en su
producción.
La implementación de este proyecto puedemotivar a los ingenieros a mejorar y
ampliar el área de aplicación de este proyecto.
1.4 CONTEXTO NORMATIVO
Las Normas y Leyes es la parte más importante en la estructura de un proyecto,
puesto que de las mismas se derivan diferentes tipos de circunstancias notables para
el diseño de la maquinaria, estructura, seguridad, equipo, etc.
Si bien es cierto gran parte del diseño que se generará para el proyecto, será
desarrollado por medio de diversos métodos de cálculo, que deberá cumplir con los
requisitos de seguridad, limpieza, resistencia, tipo de material, tal y como lo requierela norma. Así mismo es importante remarcar que todos estos requisitos normativos,
son de carácter obligatorio, puesto que en caso de quebrantar cualquier tipo de
normatividad ó ley aplicable al proyecto se correría el riesgo de poner en peligro la
seguridad de las personas, aunado a tener que pagar una cuantiosa multa e inclusive
la cárcel.
En este contexto se particulariza en todo lo que se refiera a los equipos de
manipulación de productos alimenticios, es de gran importancia tomar en cuenta
todos los requerimientos de ley, toda vez que para la futura realización del proyecto,
se requiere de permisos y normas complementarias, las cuales serán dadas por la
secretaria de salud (SSA) y la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación (SAGARPA).
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Dentro de las leyes que se tomarán en cuenta para el desarrollo del proyecto, se
tienen:
Clave de la Norma: NOM-002-SSA1-1993[4x]
Titulo de la Norma:
Norma Oficial Mexicana NOM-002-SSA1-1993, SaludAmbiental, Bienes y Servicios. Envases metálicos paraalimentos y bebidas. Especificaciones de la costura. Requisitossanitarios
Publicación en DOF: 14 nov. 1994
Entrada en Vigor: al día siguiente de su publicación en D.O.F.
Dependencia: México. Secretaría de Salud
Publicación delproyecto en DOF:
11 nov. 1993
Publicación decomentarios enDOF:
20 oct. 1994
Así mismo para el aseguramiento de la calidad debemos tomar en cuenta los
procedimientos que manejan el Manual de Buenas Prácticas de Producción de Miel
expedido por la SAGARPA, y Manual de buenas prácticas de manejo y envasa do de
la miel expedido por la Servicio Nacional de Sanidad, Inocuidad y Calidad
Agroalimentaria (SENASICA).
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CAPÍTULO
IIANÁLISIS DELOSSISTEMAS
ACTUALES
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Antes de poder desarrollar un nuevo sistema, se requiere del análisis de aquellos
sistemas semejantes a lo que se desarrollará. Por esta razón se analizarán los
sistemas existentes y que tienen aplicación en los sectores para los que se ha
pensado el proyecto. Para fines prácticos de este proyecto se analizará el
centrifugadorvertical. Estos extractores consisten en una cuba o tina de extracción, dentro de la cual se
tiene una estructura metálica cuya utilidad es la de soportar los cuadros de miel, y un
mecanismo para generar el giro del soporte.
2.1 DIAGNÓSTICO DE LOS SISTEMAS ACTUALES
Este sistema comparte tecnologías en su funcionamiento, y las únicas variantes son:
las dimensiones de las maquinas, la posición de los cuadros, y la capacidad de
cuadros por ciclo; por lo que los componentes que lo conforman son similares a otros
sistemas, y de los cuales se identificaron los siguientes:
2.1.1 Estructura
La estructura es parte fundamental dentro de estos sistemas, ya que es quien
soporta los cuadros de miel. A su vez la estructura está formada por los siguientes
elementos:
a) Cuba o carcasa exterior (Véase Figura 2.1).Esta estructura es la parte
fundamental de estos sistemas, debido a que dentro de estase lleva a cabo la
extracción de la miel. Se compone principalmente de una placa de acero, la
cual se moldea de tal manera que se obtiene un cilindro, siendo esta el cuerpo
de la cuba.
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Figura 2.1 Carcasa Exterior.
b) Bastidor (Véase Figura 2.2). Esta estructura se compone de dos partes: Un
eje de rotación el cual se encuentra situado al centro geométrico de la cuba; a
este se encuentran unidos una serie de estructuras metálicas de forma
rectangular, los cuales sirven para sostener los cuadros de miel. Estasestructuras al estar unidas al eje de rotación, tienden a seguir el movimiento
del mismo, generando así una fuerza centrifuga a partir de la velocidad de
rotación.
Figura 2.2 Bastidor para el soporte de cuadros de miel.
2.1.2 Sistema de Impulsión
El sistema de impulsión consiste en principal medida de una transmisión mecánica,
la cual consta generalmente de una serie de engranajes y/o poleas, y un sistema que
genera la velocidad de giro.
La transmisión mecánica (Véase figura 2.3) está compuesta por uno o más arboles
de transmisión, sujetos a estos podemos encontrar engranes y piñones, los cuales
transmiten la velocidad y el giro de la flecha del motor al eje de rotación situado en el
bastidor; en algunos casos se cuentan con bandas y poleas para transmitir el impulso
del motor hacia el primer árbol de transmisión
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Figura 2.3 Sistema de transmisión, impulso manual
Dentro del sistema de impulsión existen variantes, ya que este tipo de extractores
tiene dos métodos para dar movimiento al mecanismo y que este lleve a cabo su
función, pudiendo dividirse en diferentes métodos; entre los cuales se pueden
mencionar el método manual, el cual no es aplicable porque depende en demasía del
operario. El método eléctrico es el que puede ser implementado en estos sistemas,
debió a que se compone de un motor eléctrico el cual en cualquier momento de la
jornada laboral da la misma potencia a diferencia de un operario que conforme pasa
el tiempo la potencia dada es menor.
2.1.3 Sistema de Control
El sistema de control en estos casos corresponde únicamente a los elementos que
encienden y apagan los dispositivos eléctricos, como los motores, para aquellos
equipos que usan motores como medios de impulsión, este sistema se encuentra enforma de un panel de control (Véase Figura 2.4).
Estos elementos son:
• Caja de control con botón de paro de emergencia.
• Encendido del sistema por medio de un botón de arranque al inicio de cada
ciclo de extracción.
• En algunos casos se usan sensores de contacto.
• Regulador de velocidad ajustable para cada ciclo.
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Figura 2.4 Panel de control.
2.1.4 Seguridad en los Sistemas
Para la implementación de estos sistemas, se requiere tomar en cuenta aspectos
importantes sobre seguridad, sobre todo para el operario. Para esto se deben cubrircon requisitos descritos en las normas aplicables a estos sistemas.
Normas aplicadas a los equipos de manipulación alimenticia
Los fabricantes de estos sistemas de extracción, indican en su ficha técnica que
normas aplican en el diseño de sus sistemas, entre las cuales señalan las siguientes:
• De acuerdo con la NOM-002-SSA1-1993. (salud ambiental. Bienes y servicios.
Envases metálicos para alimentos y bebidas. Especificaciones de la costura.Requisitos sanitarios), establece las especificaciones que deben cumplir los
dos tipos de cierre o costura lateral a utilizar en el cuerpo de los envases
metálicos de tres piezas, que puede ser costura con soldadura eléctrica o
costura con pegamento o cementada. Quedan estrictamente prohibidas las
uniones empleando soldaduras que contengan plomo.
• De acuerdo con el Manual de buenas prácticas de manejo y envasado de
miel, los materiales utilizados en los equipos y utensilios empleados quetengan contacto directo con la miel en las áreas de proceso, deben ser de
acero inoxidable tipo 304 grado alimenticio con acabado sanitario (con
esquinas redondeadas), no deben transmitir sustancias tóxicas, olores ni
sabores. No deben ser absorbentes, pero sí resistentes a la corrosión y al
desgaste ocasionado por las repetidas operaciones de limpieza y desinfección
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También por seguridad, se recomienda usar señalizaciones visuales que alerten a la
gente que el sistema está funcionando, así mismo se recomienda el uso de un
sistema que permita apagar el equipo cuando la tapa del mismo se abra.
2.1.5 Especificaciones de los sistemas
Entre las especificaciones dadas por los fabricantes de los sistemas, se tienen
aquellas que describen las dimensiones del sistema, bajo qué condiciones debe
operar y algunos aspectos para el momento de la instalación.
a) Especificaciones de los extractores verticales
Este sistema cuenta con las siguientes especificaciones de dimensiones:
• Todos los espacios pedidos son los mínimos requeridos.
• En la cuba de extracción solo se permiten un máximo de 40 cuadros por ciclo
• La estructura mide2.5m de diámetro
• El peso máximo que soporta el sistema es de 80 Kg.
• Admite Cuadros de miel con medidas de 48 X 24 cm
b) Suministrado por el cliente
El cliente que solicita la instalación del sistema deberá contar con los siguientesrequerimientos:
• Alimentación con cable de 5x2.5mm(fase + neutro + toma detierra) por
interruptor principal.
• Fusibles de 10A.
• Interruptor de potencia (por unidad). La posición del interruptor estádefinida en
el plan de evaluación.
• Cable de 5 x 2.5mm (1 fases + neutro + toma de tierra)desde el interruptor
principal hasta launidad.
• La energía eléctrica hasta los equipos debe ser suministrada por elcliente
durante la instalación.
• De acuerdo con la DIN EN 60204 (seguridad en maquinaría de equipos
eléctricos), el sistema debe estar conectado a tierra.
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• La conexión de las tomas de tierradebe instalarse en intervalos de 10 m.
• Cableado eléctrico: El cableado eléctrico debe ser instaladopor el cliente de
acuerdo con eldiagrama de circuitos.
2.1.6 Condiciones ambientales
Las condiciones ambientales pueden afectar directamente las condiciones de
operación de los sistemas, o incluso disminuir su tiempo de vida útil. Para estos
sistemas se manejan las siguientes:
• Rango de temperaturas +20º hasta +40º
• Humedad relativa del 20% con una temperatura exterior máxima de +40º
• Si los tiempos de extracción están especificados, se refieren a una
temperaturaambiental de +25º y con el sistema alejado de las corrientes de
aire. Para temperaturasinferiores estos tiempos se incrementan.
2.2 DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA (MÉTODO FORD)
Para el desarrollo de este proyecto, se requiere analizar los sistemas que existen
actualmente y que son la base del diseño de los nuevos equipos y que permitiránvalorar las ventajas y desventajas de éstos, con la finalidad de tomar una decisión y
llegar a la solución que cumpla con los objetivos planteados.
Esta herramienta permite analizar y evaluar los problemas, basado en las Fortalezas,
Oportunidades, Restricciones y Debilidades que presentan los sistemas actuales,
para examinar, debatir y definir la problemática que solucionará el desarrollo del
nuevo sistema.
2.2.1 Fortalezas
• Las estructuras no presentan problemas de movimiento para llevar a cabo el
centrifugado.
• El uso de motores eléctricos garantiza la potencia necesaria para generar una
velocidad constante durante toda la jornada.
• Cumplen con normas de sanidad.
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• Estos sistemas tienen una alta eficiencia comparado con los métodos que se
ocupan en esta comunidad.
• La estructura de los extractores es sencilla y no requiere mucho espacio.
2.2.2 Oportunidades• Extrae la miel de los cuadros sin dañarlos, pudiendo ser devueltos a la
colmena para ser llenados de nuevo por las abejas.
• El sistema puede ser instalado en cualquier área donde exista ventilación y
suministro eléctrico.
• Para su operación únicamente requiere pulsar un botón para iniciar el ciclo.
• Permite un ahorro considerable de tiempo.
• Los sistemas con impulsión eléctrica pueden implementarse a un bajo costo.
2.2.3 Restricciones
• Estos extractores no pueden trabajar en un ambiente con más del 20% de
humedad.
• No permite más de cuarenta cuadros de miel por ciclo de extracción.
• El peso máximo de carga que soporta el bastidor es de ochenta kilogramos.
2.2.4 Debilidades
• Existen equipos, que aunque más espaciosos, soportan un máximo de 200
cuadros.
• Al no ser de producción nacional representan un alto costo de adquisición.
• No cuentan con un control adecuado de velocidad.
• Estos sistemas no cuentan con un cierre de seguridad para evitar accidentes
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extracción. Al mismo tiempo se llevara a cabo el diseño de un sistema de transmisión
mediante poleas y árboles de transmisión.
Para la estructura del bastidor se diseñarán sesenta soportes de forma rectangular
con las siguientes medidas: 48x38X5 cm. Así mismo para que este diseño soporte 60
cuadros por ciclo, se colocarán dos hileras de soportes intercaladas entre sí; todo
esto sujetado a un eje central que le proporcionará el giro al bastidor.
Para el sistema de impulsión se propone la utilización de un motor a 120 voltsy 1800
RPM. Para el control del motor se propone un tablero de control eléctrico,
compuesto principalmente por un regulador de velocidad, un botón de arranque y
uno de paro de emergencia, un temporizador con retardo a la desactivación, el cual
será el que dé el tiempo al ciclo de extracción; finalmente se implementará un límite
de carrera en la tapa del sistema, para que cuando esta se abra sirva como un
segundo paro de emergencia para evitar accidentes.
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CAPÍTULO III
DISEÑO DEL
SISTEMA HE-001
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El desarrollo del sistema HE-001(Honey Extractor-001) requiere dar solución a la
problemática obtenida en el capitulo anterior, por lo que el diseño se llevará acabo
contemplando la interacción de las dos partes que lo conformaran: la Mecánica y la
de Control, como lo muestra la figura 3.1.
El Sistema Mecánico se integrará por la carcasa, bastidores y mecanismos
necesarios para generar los movimientos requeridos por parte del nuevo sistema
para que lleve a cabo su función.
El Sistema de Control se integrará por todos los circuitos y componentes eléctricos
que se encargarán de establecer la correcta secuencia de movimientos que realizará
el Sistema Mecánico, como son fuentes de alimentación, circuitos, programas de
control, sensores y circuitos indicadores visuales y auditivos.
SISTEMA
MECÁNICO
SISTEMA DE
CONTROL NUEVO
SISTEMA
Figura 3.1 Interacción entre la mecánica y elcontrol
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3.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO
El Sistema Mecánico representa la parte fundamental dentro del diseño del sistema
HE-001, ya que el correcto desarrollo de este (la forma de la estructura y
mecanismos) constituirán el nuevo sistema. Los tipos de materiales a utilizar ya han
sido determinados por las normas oficiales mexicanas y el Manual de buenas
prácticas de manejo y envasado de la miel; donde se menciona que los sistemas
para la manipulación de productos alimenticios deberán ser desarrollados con un
acero 304 inoxidable de grado alimenticio.
La norma oficial mexicana a utilizar en este proyecto, para cuestión del diseño de los
elementos mecánicos será la NOM-002-SSA1-1993, la cual hace referencia a los
envases metálicos para alimentos y bebidas, especificaciones de la costura. Asímismo se mencionan los requisitos sanitariospara los equipos de manipulación de
productos alimenticios.
Para la etapa del diseño mecánico, se realizara una propuesta de los diferentes
mecanismos que conformaran al sistema HE-001, posteriormente se hará un
análisis de cada una de las partes que han sido propuestas.
Una vez que se ha llevado a cabo el análisis de partes se presentaran los criterios
para la selección de los materiales, para así finalmente llegar a una propuesta del
diseño mecánico.
3.1.1 Propuesta de mecanismos
Para fines prácticos la propuesta de solución que se llevará a cabo en este proyecto
se dividirá en tres elementos principales; siendo estos la carcasa exterior, los
bastidores y el sistema de transmisión de potencia.
a) Bastidores
Para el diseño de los bastidores se tomo como medida estándar de los cuadros de
miel (Véase Figura 3.2), las utilizadas por la comunidad apícola de Santa Rosa,
siendo esto de 48cm de largo, 38cm de ancho y 5cm de espesor. Se implementará
un sistema con dos bastidores desmontables cuya capacidad será de 32 cuadros de
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miel por bastidor logrando con esto una mayor capacidad de la que se propuso al
comienzo de este proyecto, mismos que estarán construidos en acero inoxidable 304
debido a su interacción con la miel. Así mismo contarán con un sistema de sujeción
para cada cuadro, evitando así un posible desprendimiento y colisión entre ellos
Figura 3.2 Vista frontal de un cuadro de miel
b) Carcasa Exterior
Será construida de acero inoxidable 304 debido a que desempeñará la función como
contenedor temporal de la miel hasta que se efectué el drenado, con la finalidad de
evitar el estancamiento del producto en la base de la carcasa se realizara una
pendiente de 2° de inclinación; tomando como consideración la teoría de
desplazamiento de fluidos la cual indica que se requiere un 1° de inclinación por
metro para evitar estancamiento de los fluidos; y en la terminación de las esquinas serealizarán pendientes con la finalidad de hacer un canal hacia el punto de drenado,
para reducir las pérdidas del producto que se pudieran generar por el estancamiento
del mismo.
c) Sistema de Transmisión de Potencia
Considerando como parte motriz de este sistema, el eje de rotación de los
bastidores, tendrá un diseño considerando un acero inoxidable 304; el mismo
material utilizado para el resto de los componentes del sistema HE-001, ya que como
se ha mencionado con anterioridad todos los componentes que tengan interacción
con los alimentos deberán ser construidos en este material por indicación de la
norma expuesta con anterioridad.
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La parte de transmisión de potencia se llevará a cabo por una banda flexible la cual
llevará el movimiento del motor hacia al eje de rotación de los bastidores a través de
un juego de poleas donde se propone una relación de velocidad entre el motor y el
eje de uno.
d) Sistema de sujeción (canasta)
Para el sistema de sujeción de los bastidores, al igual que el resto de los
componentes será construido en acero 304, esta parte del sistema tiene como
función sujetar los bastidores al eje de rotación para que de esta forma los bastidores
giren junto con el eje llevando así la función de extracción de miel.
La idea consiste en diseñar un sistema, el cual soporte los bastidores, y en cada uno
de sus extremos cuente con un riel, a través del cual se deslizaran los bastidorespara recibir el movimiento del árbol.
3.1.2 Análisis de partes
Para el diseño del extractor se comenzó por realizar un análisis de cada uno de los
elementos que componen este sistema. Siendo que el bastidor es la parte central del
extractor se comenzó el diseño a partir de este.
a) Bastidor
Para cumplir con la finalidad de aumentar la capacidad de cuadros de miel que se
puedan incluir en un solo ciclo de extracción, los cálculos para el diseño de los
bastidores se llevaran de forma geométrica, a fin de que en cada uno de los
bastidores se puedan colocar treinta y dos cuadros.
El bastidor se puede descomponer en dos partes principales que son: las bases para
los cuadros y los ejes o soportes del mismo. Para dar comienzo al diseño se necesitasaber las medidas del diámetro de la base de sujeción interna de los cuadros.
Esto se logra conociendo los grados que tiene un círculo (360°) para conocer los
grados de separación entre un cuadro y otro, aplicando una división obtenemos que:
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Considerando el cuadro como un triangulo de la siguiente forma:
Se tiene que el ángulo α formado por los segmentos b y c es de11.25° y cómo lado
"a" las dimensiones del espesor del cuadro siendo este 50 mm, sabiendo que los
segmentos "b" y "c" tienen la misma dimensión, se puede deducir que el ángulo β
formado por los segmentos "c" y "a"; y el ángulo restante θ (formado por los
segmentos "b" y "a") tienen el mismo valor. A partir del conocimiento de estos valores
y del hecho de que la suma de los ángulos internos de un triangulo es de 180° se
puede calcular:
Sabiendo que β=θ, y sustituyendo el valor de α en la ecuación y resolviéndola se
obtiene:
Conociendo los valores de los ángulos y alguno de los lados del triangulo se puede
utilizar la ley de senos para conocer el resto de las dimensiones del triangulo. Por lo
tanto conociendo que:
Utilizando la primera igualdad y sustituyendo los valores se obtiene:
c
b
a
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Despejando b y resolviendo la ecuación obtenemos:
Con lo anterior se obtiene que el radio interior del soporte será de 255.057 mm; el
cual se aproximará a 270mm con la finalidad de evitar que los cuadros queden muy
justos en el bastidor. Para conocer el diámetro de la base del círculo de sujeción
externo, solo se necesita sumar el valor del ancho del cuadro, siendo este de 380
mm, se tiene que el radio del círculo exterior será de 650mm.
Para la dimensión de la altura del bastidor no se necesitarán cálculos únicamente setomará el valor de la altura de los cuadro la cual es de 480mm.
Para la parte de los soportes se consideraron barras de acero con un
dimensionamiento de 1325.4x38.1x12.7 mm, se realizara en forma de cruz y se
montara al centro de los círculos de sujeción terminando así el diseño de los
bastidores. En la figura 3.3 se muestra un modelado en 3D de uno de los bastidores.
Figura 3.3 Modelado del diseño del bastidor.
b) Carcasa exterior
Para el diseño de la carcasa exterior, al no poder utilizar un material distinto al acero
304, los únicos cálculos que se emplearan serán los del dimensionamiento de los
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componentes de forma tal que estos entren con facilidad en la carcasa, y puedan
realizar sus funciones sin problema alguno.
Por principio la distancia de la base de la carcasa a la base del bastidor será de
100.5mm para poder colocar el eje de rotación y la canasta, seguidamente tenemos
dos bastidores de 525.4mm de altura cada uno, una reja de seguridad con un
espesor de 6.35mm y finalmente una tapa superior de 18.9mm. Es de considerarse
que la distancia entre el bastidor superior y la reja es de 75mm
Considerando todas las medidas tenemos:
Para la dimensión del radio de la carcasa tendremos que considerar que el
dimensionamiento radial del bastidor es de 650mm el de los dispositivos de sujeción
de los bastidores es de 38.1mm y la distancia entre estos y la carcasa será de
50mm. Tendremos entonces que el radio de la carcasa será de 738.1 mm. En la
figura 3.4 se muestra el modelado de la carcasa.
Figura 3.3 Modelado del diseño de la carcasa exterior
c) Sistema de transmisión de potencia
El sistema de transmisión de potencia se subdividirá en tres aspectos, los cuales se
tratarán y calcularán de forma independiente pero son complementarios uno de otro.
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Estas divisiones serán: cálculo y selección de la banda de transmisión flexible;
cálculo y diseño de las poleas; cálculo y diseño del árbol de transmisión.
Antes de comenzar los cálculos y diseños de las partes correspondientes a este
sistema, se deberá llevar a cabo la selección del motor que suministrara la potencia,
para lo cual es necesario conocer la potencia que el sistema necesita, esto se
obtiene a través de la siguiente formula:
---------- Ecuación 3.1Donde: P es la potencia consumida por el sistema expresada en kilo watts (KW); esel torque generado por el movimiento angular expresado en Newton por metro (Nm),
y ω es la velocidad angular expresada en revoluciones por segundo (RPS).
De la ecuación anterior se desconoce el valor del torque, para obtener dicho valor se
cuenta con la siguiente ecuación:
---------- Ecuación. 3.2Donde: es la aceleración angular expresada en radianes sobre segundo alcuadrado (rad/s2); es el momento de inercia expresado en kilogramo por metro alcuadrado (kgm2).
Para determinar el valor del momento de inercia se cuenta con la siguiente ecuación:
---------- Ecuación 3.3Donde: m es la masa del sistema expresada en kilogramos (kg); k es el radio de giro
expresado en metros (m).
Sabiendo que la masa a mover esta conformada por los cuadros de miel, los
bastidores y la canasta; y suponiendo una carga completa, es decir, 64 cuadros de
miel, se tiene una masa de 150 kg y conociendo el radio de giro, el cual es el radio
de la canasta (688.1mm), y sustituyendo estos valores en la Ecuación 3.3 se tiene:
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Para calcular el valor de la aceleración angular (faltante de la Ecuación 3.2) se tiene
la siguiente formula:
---------- Ecuación 3.4Donde: es el tiempo expresado en segundos (s).Conociendo el valor de la velocidad angular (30 RPS) y sabiendo que el valor del
tiempo está dado por la rampa de aceleración, es decir, el tiempo que tarda de llegar
desde el reposo hasta la velocidad nominal (600 s); y sustituyendo estos valores en
la Ecuación 3.4 se tiene:
Debido a que en la Ecuación 3.2 se requiere el valor de la aceleración en radianes y
no en revoluciones, es necesario convertir este valor mediante la multiplicación de
2π:
Ahora que se tienen los valores del momento de inercia y la aceleración angular, se
pueden sustituir en la Ecuación 3.2, para obtener el valor del torque como se muestra
a continuación:
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Teniendo el valor del torque y la velocidad angular, es posible calcular la potencia
consumida por el sistema, sustituyendo los valores en la Ecuación 3.1, como se
muestra a continuación:
Debido a que los catálogos de proveedores tienen el valor de la potencia en Caballos
de Fuerza (Hp) es necesario convertir el valor actual de la potencia para la selección
del motor, esto se logra sabiendo que 1 KW equivale a 1.34 Hp.
Conociendo los valores comerciales de los motores se seleccionara la potencia
inmediata superior es decir 5 Hp, por lo que se tendrá un motor de 5 Hp a 1800 RPM.
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♦ Cálculo y selección de la banda de transmisión flexible
Para llevar acabo el cálculo de la banda de transmisión flexible, se emplearan las
recomendaciones del manual de “GATES” para el cálculo y selección de correas de
sección trapezoidal. Como primer paso es necesario calcular la potencia nominal del
sistema, esto se logra mediante la utilización de las siguientes ecuaciones:
---------- Ecuación 3.5 ---------- Ecuación 3.6
Donde: De la Ecuación 3.5 es la potencia suministrada por el motor, expresada enHp;
es la potencia consumida por el sistema, expresada en Hp;
es el factor de
perdida por rozamiento, cuyo valor es adimensional. De la Ecuación 3.6 es lapotencia nominal, expresada en Hp; es el factor de servicio con valoradimensional; es la potencia de calculo equivalente a .Sabiendo que el factor de pérdida por rozamiento de un sistema de bandas y poleas
tiene un valor de 0.97, y que la potencia consumida por el sistema es de 4.55 Hp, y
sustituyendo estos valores en la Ecuación 3.5 se tiene:
Conociendo el valor de la potencia de cálculo (4.69) y obteniendo el valor del factor
de servicio de la tabla 1 al sustituir los valores en la Ecuación 3.6 se conoce la
potencia nominal como se muestra a continuación:
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Máquina Movida
Máquina Motriz
Motor eléctrico sincrónico.Motor de combustión interna
multicilindro. Turbinas.
Motor eléctrico de alto par.Motor de combustión interna
monocilindro.
8 h/día 16 h/día 24 h/día 8 h/día 16 h/día 24 h/díaCarga ligera
Agitadores de líquido. Bombas ycompresores centrífugos.
Transportadores de banda.Ventiladores. Máquinas herramientasde corte continuo.
1.0 1.1 1.2 1.1 1.2 1.3
Carga normalBombas y compresores de 3 y máscilindros. Transportadores de cadena.Fresadoras.
1.1 1.2 1.3 1.2 1.3 1.4
Carga pesadaBombas y compresores de uno y doscilindros. Elevadores de cangilones.Cepilladoras y mortajadoras.
1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6
Carga muy pesada Mecanismos de elevación de grúas.
Prensas. Cizallas.
1.3 1.4 1.5 1.5 1.6 1.8
Tabla 1. Selección del factor de servicio.
Debido a que se trata de un motor eléctrico síncrono con 8 horas de trabajo al día y
con carga ligera se seleccionará un factor de servicio de 1.0, por lo que se tiene:
Con lo que se puede comprobar que la selección de un motor de 5 Hp que se realizo
con anterioridad es el adecuado para este trabajo.
Ahora se debe seleccionar el perfil de la banda, para lo cual se emplearán las tablas
2 y 3, en las cuales se necesita la potencia de calculo en KW, la cual tiene un valor
de 3.4 KW.
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Tabla 2. Recomendaciones para la selección del tamaño de perfil en correas estrechas.
Tabla 3. Recomendaciones para la selección del tamaño de perfil en correas normales.
Como se puede apreciar en la tabla 2 los valores se hayan dentro la zona de labanda 3V, y en la tabla 3 se puede apreciar los valores dentro de la zona de la banda
tipo Z, siendo que la banda 3V es mas comercial, se seleccionará esta banda.
Para seleccionar el diámetro mínimo de la polea menor se empleará la tabla 4, en la
cual se muestra el valor del diámetro mínimo expresado en milímetros (mm), con
respecto al tipo de banda que se seleccionó previamente.
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Tabla 4. Valores recomendados de diámetro primitivo mínimo para poleas.
Por lo mostrado en la tabla 4 se aprecia que se debe seleccionar un diámetro mínimo
de 71 mm para una banda de perfil 3V, por lo cual la polea menor, la cual para el
caso particular de este proyecto es la conducida, tendrá un diámetro de 71 mm. Para
determinar el diámetro de la polea mayor se emplea una relación entre los diámetros
y la relación de transmisión del sistema, para determinar dicha relación de
transmisión se tiene la siguiente ecuación.
---------- Ecuación 3.7Donde: es la relación de transmisión del sistema, con valor adimensional; es lavelocidad del sistema en RPM; es la velocidad del motor en RPM.Sabiendo que la velocidad del extractor es de 3000 RPM y la velocidad del motor es
de 1800 RPM, sustituyéndolas en la Ecuación 3.7 y despejando la relación de
transmisión se tiene:
Para calcular el valor de la polea motriz se tiene la siguiente ecuación:
---------- Ecuación 3.8Donde: es la dimensión de la polea motriz expresado en milímetros (mm); es ladimensión de polea conducida expresado en (mm).
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Sabiendo que se cuenta con la dimensión de la polea conducida y la relación de
transmisión, se puede despejar a y sustituir los demás valores para obtener:
Para obtener el valor de la longitud de la correa es necesario conocer la distancia
entre centros, empleando los valores de los diámetros de las poleas y la siguiente
ecuación:
---------- Ecuación 3.9
Ahora para calcular la longitud aproximada de la banda se empleará la siguiente
formula, donde se ocupan valores ya conocidos:
---------- Ecuación 3.10
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Con el valor de la longitud aproximada de la correa y el catalogo de proveedores sepuede seleccionar la longitud comercial, es recomendable seleccionar la longitud
inmediata superior a la calculada, por lo cual mediante el catalogo de GATES se
seleccionó para este sistema la banda 3V 250 con una longitud de 635 mm.
Ahora con estos valores se puede corregir el valor de la distancia entre centros
mediante la siguiente ecuación:
---------- Ecuación 3.11Donde: es la longitud comercial de la correa; es la longitud de cálculo.Sustituyendo los valores se tiene:
♦ Cálculo y diseño de las poleas
Para el diseño de las poleas es necesario conocer el número de bandas que se
necesitan, para esto es necesario recurrir a la siguiente formula:
---------- Ecuación 3.12
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Donde: Z es el número de bandas; es la potencia de cálculo; y es la potenciatransmisible por la correa.
De la ecuación anterior se desconoce el valor de , para lo cual se tiene la siguienteecuación:
---------- Ecuación 3.13Donde: es el coeficiente dado por la relación de los diámetros y la distancia entrecentros; es el coeficiente dado por el ángulo de contacto de la polea.Para determinar el factor se emplea la siguiente ecuación, donde los valoresempleados son los valores ya conocidos de los diámetros y la distancia entre
centros, por lo que al sustituirlos se tiene:
De la Ecuación 3.13 hace falta determinar , para esto es necesario calcular elángulo de contacto de la correa, utilizando la siguiente formula:
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Conociendo el valor del ángulo de contacto y mediante la utilización de la tabla 5 es
posible determinar el factor del ángulo de contacto.
Tabla 5. Valores del coeficiente del ángulo de contacto.
Con la tabla anterior se puede determinar que el valor del coeficiente del ángulo de
contacto para este sistema en particular es de 0.96, siendo que el valor del ángulo de
la tabla más cercano es de 163º.
Para obtener el valor de se recurrirá a la tabla 6, en la cual se muestran losvalores de las potencias adicionales en función del diámetro menor y la velocidad de
rotación.
Tabla 6. Valores de potencia adicional para la correas tipo 3V.
De la tabla anterior se puede observar que: debido a que el diámetro menor del
sistema es de 71mm y que la velocidad del mismo es de 3000 RPM, la potencia
adicional para la banda ser a de 1.10 Hp.
Ahora que se tienen los valores de los coeficientes y la potencia adicional, estos se
pueden sustituir en la Ecuación 3.13 para determinar la potencia transmisible por la
correa, como se muestra a continuación:
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El valor obtenido se sustituye en la Ecuación 3.12 para obtener el número de bandas:
Por lo anterior se tiene que se emplearán 3 bandas para la transmisión de potencia
entre las poleas.
Los dimensionamientos para los perfiles de garganta de las poleas, se obtienen de
los manuales de fabricantes, en este caso es la banda 3V de GATES, cuyos
dimensionamientos de perfil se muestran en la figura 3.4.
Figura 3.4. Dimensionamiento para perfil de correas tipo B
Por lo que al revisar los valores del perfil de garganta se tienen: Una polea motriz con
un diámetro de 117.86 mm, y un perfil de 36 mm, dicha longitud es la suma de las 3
bandas necesarias para la transmisión de potencia; así mismo se tiene una polea
conducida con un diámetro de 71 mm, y un perfil de 36mm. En la figura 3.5 se
muestra un modelado de las poleas.
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Figura 3.5. Modelado de las poleas.
♦ Cálculo y diseño del árbol de transmisión
Para el diseño del árbol de transmisión se empleará una formula para determinar un
diámetro mínimo aproximado para el árbol.
---------- Ecuación 3.14Donde: N es la potencia en este punto del sistema expresada en Hp; y n es la
velocidad de giro en este punto del sistema expresada en RPM.
Sabiendo que la potencia en este punto es la que anteriormente se calculó como la
potencia suministrada por el motor (4.7 Hp), y la velocidad es de 1800 RPM,
sustituyendo estos valores en la ecuación anterior se tiene:
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De acuerdo con el catalogo del proveedor de rodamientos, el diámetro interior de
rodamientos para altas velocidades inmediatamente superior al valor obtenido es de
30mm, por lo que el diámetro del árbol de transmisión será de 30mm.
Figura 3.6. Propuesta de dimensionamiento para el árbol de transmisión.
Como se muestra en la figura anterior el árbol de transmisión se dividirá en cuatro
secciones, de izquierda a derecha, la primera sección corresponde a la parte que
hace contacto y recibe el movimiento de la polea conducida, su longitud es de 36
mm, debido a que esta es la longitud del perfil de la polea. En la segunda sección se
tiene un espacio, el cual tendrá contacto con el rodamiento, esta sección tendrá una
longitud de 9 mm, la cual es la longitud del perfil del rodamiento. La tercera sección
esta destinada a ser la separación entre el rodamiento y la cuarta sección, la cual por
norma ASME debe ser como mínimo la mitad del diámetro primordial del árbol, por lo
cual se le asignará un valor arbitrario de 15 mm la longitud de esta sección.
Finalmente la cuarta sección, es aquella que tendrá contacto con la canasta del
bastidor, por lo que su longitud depende del espesor de la canasta, siendo este de
45mm.
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Para los diámetros de cada una de las secciones se tomará en cuenta las
recomendaciones de la norma ASME, es decir, el incremento y decremento de los
diámetros será del 10 o 15% con respecto a las secciones anteriores. Mencionado lo
anterior, se partirá de la segunda sección, debido a que el diámetro de esta sección
está sujeto a los dimensionamientos de los rodamientos, como se mencionóanteriormente el diámetro interior del rodamiento a emplear es de 30 mm, por lo que
el diámetro de esta sección será de 30mm. El decremento de la primera y cuarta
sección será de 10% con respecto a la segunda sección, por lo que se tendrá un
diámetro de 27 mm para estas secciones. Para la tercera sección se tendrá un
incremento del 15% con respecto a la segunda sección, por lo que la tercera sección
tendrá un diámetro de 34.5mm.
Figura 3.7. Modelado del árbol de transmisión.
Ahora es necesario calcular la chaveta, es decir, el dispositivo que hará la conexión
del árbol de transmisión con la polea y la canasta, este dispositivo tiene un perfil
cuadrado, el cual se determinará de forma arbitraria y a partir de este se calculará la
longitud del mismo.
Para determinar la longitud de la chaveta se emplear una ecuación base y la
sustitución de diferentes valores de la misma ecuación:
---------- Ecuación 3.15
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Donde: es el esfuerzo cortante máximo permisible que tiene el material; es la resistencia al aplastamiento; es la resistencia a l corte por cizallamiento.De la ecuación anterior se puede determinar el valor del esfuerzo cortante máximo
permisible mediante la siguiente ecuación:
---------- Ecuación 3.16Donde: CVC es el coeficiente por variación de carga, que en el caso particular de
este ejemplo es de ; es la resistencia al corte o esfuerzo de fluencia, expresadoen kilogramo fuerza sobre milímetro al cuadrado ; V es el coeficiente porrazón de corte con un valor de 0.5 para este caso; es el factor de seguridad cuyovalor para este caso es de 2.El valor de la resistencia al corte se puede obtener de la tabla de datos
proporcionada por el fabricante del material.
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero 304.
En la tabla anterior se aprecia el valor del esfuerzo de fluencia, pero este valor está
dado en mega pascales (MPa), el cual transformado a kilogramos fuerza nos da un
valor de 20 .Sustituyendo todos los valores de la Ecuación 3.16 se tiene:
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Los valores de la resistencia al aplastamiento y al corte por cizallamiento pueden sersustituidos por su equivalente de la fuerza por torsión, en función del área de la
pieza, es decir:
---------- Ecuación 3.17 ---------- Ecuación 3.18
En las ecuaciones anteriores se puede observar que estas se encuentran en funcióndel área, y sabiendo que estas piezas tienen una sección cuadrada de perfil, se
puede sustituir el área por HL, donde: H es la longitud de una cara del perfil y L es la
longitud de la pieza, sabiendo que cada lado del perfil tiene como medida 10 mm,
solo hace falta calcular la fuerza por torsión, la cual se obtiene con la siguiente
ecuación:
---------- Ecuación 3.19
De la ecuación anterior es el momento por torsión, y D es el diámetro del puntodonde se aplica la fuerza, para determinar el momento por torsión en la polea motriz
se tiene:
---------- Ecuación 3.20
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Sustituyendo el valor de en la Ecuación 3.19 y resolviendo para un diámetro de28.575mm, se tiene:
Para determinar la fuerza por torsión en la primera sección del árbol de transmisión
solo basta con multiplicarlo por el factor de perdida por rozamiento y la relación de
transmisión, como se muestra a continuación:
Ahora que se cuenta con el valor de , y sabiendo que H tiene un valor de 10 paraesta sección, al sustituir los valores en la Ecuaciones 3.17 y 3.18 se tiene:
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Teniendo estos valores y el valor del esfuerzo cortante máximo permisible, al
sustituirlos en la Ecuación 3.15, y despejando L, al resolver se tiene:
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Para determinar la longitud de la chaveta de la última sección, es decir, la sección
que tendrá contacto con la canasta, se seguirán los pasos que se emplearon para lachaveta anterior. Como primer paso se determinará el momento por torsión:
Como segundo paso se determinará la fuerza por torsión en este punto donde el
diámetro es de 27mm.
Como tercer paso se calcularán los equivalentes de las ecuaciones 3.17 y 3.18,
sabiendo