diseÑo de mÁquina para ensayos mecÁnicos para hoja de aloe vera 1225-833-1-pb

7/30/2019 DISEO DE MQUINA PARA ENSAYOS MECNICOS PARA HOJA DE ALOE VERA 1225-833-1-PB

1/6

Scientia et Technica Ao XVI, No 48, Agosto de 2011. Universidad Tecnolgica de Pereira. ISSN 0122-1701 29

Fecha de Recepcin: 09 de Mayo de 2011Fecha de Aceptacin: 01 de Agosto 2011

DISEO DE MQUINA PARA ENSAYOS MECNICOS PARA HOJA DE ALOE VERA

Design of machine for mechanical tests for leaves of Aloe Vera

RESUMENUna de las principales dificultades que se tienen actualmente para disearlocalmente mquinas y herramientas para la extraccin de gel de la planta deAloe Vera, es el desconocimiento de las propiedades mecnicas de sus hojas.En este documento se presenta de manera general la metodologa y los resultadosobtenidos en el proceso de diseo y construccin de una mquina para laevaluacin de la resistencia a la penetracin y la resistencia a la compresin delas hojas de Aloe Vera.

PALABRAS CLAVES: Aloe vera, Mquina para Ensayos mecnicos,Metodologa de diseo.

ABSTRACTOne of the main difficulties that exist in order to design tools and machines to

extract gel from plants of Aloe Vera is the lack of knowledge of the mechanical

properties of the Aloe Vera leaves. In this document is presented in a generalway the methodology and the results obtained in the design process and

construction of a machine for the evaluation of the resistance to the penetration

and the resistance to the compression of the leaves of Aloe Vera.

KEYWORDS:Aloe Vera, Design methodology, Mechanical test machines.

GIOVANNI TORRES CHARRYngeniero Mecnico, M.Sc.rofesor asistenteniversidad Tecnolgica de [email protected]

ALEJANDRO OZAETAngeniero Mecnico.

[email protected]

1. INTRODUCCINEl gel es el producto principal que se desea extraer de lashojas de la planta de Aloe Vera; este se encuentra en lazona interior, protegida por una gruesa y robusta piel. Enuna capa intermedia, entre la piel y el gel interior, se

encuentra un recubrimiento fibroso compuesto de unaserie de componentes txicos, destacndose el ltexconocido como alona; la contaminacin por alona sepresenta cuando al extraer el gel se hace junto con la capaque contiene este ltex, rompindola y liberndolo paramezclarse con el gel, lo cual suele ocurrir con lasdistintas tcnicas que implican el corte de la hoja yraspado de la misma, problema que no suele presentarsecon las tcnicas manuales de extraccin. Hay que teneren cuenta que los productos de aloe que se desarrollancomercialmente para ser ingeridos no deben presentarconcentraciones de alona superiores a 50 ppm, segnlegislaciones europeas1 y que en Colombia aplica segn

el radicado del Invima 07009625.

Aunque los problemas de contaminacin del productopor alona son mnimos cuando la extraccin se hace demanera manual, los volmenes y la disponibilidad en eltiempo que exige el mercado hacen que esta opcin nosea la ms viable y se hace necesario el uso de sistemas y

1 Limite aceptado por la Internacional Aloe Science Council.

mquinas que realicen de manera eficiente y confiable laextraccin del gel y de los subproductos de estaoperacin. Dado que los recursos econmicos de lasasociaciones de productores en nuestro pas generalmenteson limitadas y de que no existen este tipo de mquinaspara el rango de produccin local, es necesario

desarrollar estos sistemas y mquinas de tal manera quese adecen a las caractersticas de las hojas de sbila dela regin y a sus valores de produccin particulares; estodemandar establecer de forma apropiada lascaractersticas y propiedades de las hojas de Aloe Vera,adems de su comportamiento ante diferentes mtodosmecnicos de extraccin.

En este trabajo se presenta el resumen del desarrollo deuna mquina de pruebas para la evaluacin de laresistencia a la penetracin y la resistencia a lacompresin de las pencas de Aloe Vera; la mquina esuno de los resultados a obtener del proyecto

Caracterizacin mecnica de la hoja de aloe y diseode mquinas para la extraccin y transformacin de gel

de aloe vera, financiado por Colciencias. La resistenciaa la penetracin es la propiedad de los materiales a nodejarse penetrar o rayar, mientras que la resistencia a lacompresin est relacionada con el clculo de laspresiones adecuadas en procesos de compresin paraobtener una alta eficiencia de extraccin; construida lamquina se espera que con los resultados que se obtengan


2/6

Scientia et Technica Ao XVI, No 48, Agosto de 2011. Universidad Tecnolgica de Pereira.30

de la evaluacin de estas propiedades mecnicas sepuedan disear de manera confiable mecanismos ymquinas para el corte y la extraccinde gel por mtodoscompresivos.

2. METODOLOGALa metodologa utilizada para el desarrollo de la mquina

incluy un anlisis terico de las variables relevantes enel proceso de extraccin de gel de Aloe Vera por mtodoscompresivos, una vez identificados estos parmetros seaplic una metodologa de diseo estructurada quecondujo al prototipo virtual y a la documentacin deldiseo; finalmente se construy la mquina y se efectusu validacin.

2.1. Anlisis terico del proceso de extraccin de gelpor mtodos compresivos.

Se espera que en el desempeo de un proceso de

extraccin de gel por mtodos compresivos, adems delprincipio de operacin de la mquina, intervenganfuertemente las caractersticas fsicas y mecnicas de lahoja de Aloe Vera; se realiz una bsqueda deinformacin en este sentido, sin embargo fue muy poca lainformacin que se puedo encontrar disponible o deacceso pblico al respecto.

Agotada la bsqueda bibliogrfica especfica, se decidihacer una revisin de algunas patentes de maquinas parala extraccin de gel de aloe vera; el objetivo eradeterminar cules son la propiedades mecnicas quepueden influir considerablemente en cada uno de los

mecanismos de extraccin consultados[1], [2], [3], [4],[5].Tambin se revisaron algunos documentos queexplican el desarrollo y resultados de ensayos para ladeterminacin de propiedades mecnicas en frutas, con elfin de obtener una base terica que permita asumirsimilitudes mecnicas entre los frutos investigados y lahoja de aloe vera.

Extraccin por compresinEn el principio de extraccin por compresin se realizainicialmente el corte y separacin de secciones crticas dela hoja que son fuente importante de alona[6], como son:el peciolo, los bordes espinosos y la punta.Posteriormente se comprime la hoja para extraer el gel de

aloe, siendo este proceso efectuado por diferentesdispositivos tales como: rodillos compresores, bandascompresoras o placas compresoras.

De este proceso se identificaron como determinantes deldesempeo, las siguientes propiedades mecnicas ydimensionales de la hoja de Aloe vera:

Resistencia a la penetracin Resistencia a la compresin Grosor mximo de la corteza

Ancho mximo de la hoja Espesor mximo de la hoja

Resistencia a la penetracin: es una propiedad de losmateriales a no dejarse penetrar o rayar, es decir que amayor dureza menor penetracin. La resistencia a lapenetracin de la hoja de Aloe Vera influencia ladeterminacin del material y el filo de la herramienta de

corte que se debe emplear para realizar la incisin de lapunta, el pecolo y las espinas laterales, paso preliminaren la mayora de los procesos de extraccin porcompresin; influye adems, en el establecimiento de lavelocidad y la fuerza requeridas en la operacin.

Por otro lado, la magnitud de la velocidad de cortedetermina si la primera incisin de la herramientaproduce sobre la hoja de sbila un efecto de impacto o depenetracin; esto es importante debido a la variacin deesfuerzos generados en estos dos tipos de efectos, siendoel impacto el causante de mayores esfuerzos querepercuten en los soportes de los elementos cortantes y en

su vida til.Se espera que a una mayor resistencia a lapenetracin de la corteza (superficie a cortar) se requierauna menor velocidad de corte.

Se cree que la fuerza de corte puede variar de acuerdo ala parte estructural de la hoja (corteza y cristal)en la quese realiza el proceso; este efecto ha sido observado en laprueba de firmeza aplicada en bananos [7], la cualmuestra una fuerza pico para la penetracin de la cortezay una fuerza promedio en la penetracin de la pulpa.

Resistencia a la compresin: Esta propiedad serutilizada para la determinacin de las presiones

adecuadas para, sin llegar a deteriorar loscapilares,alcanzar una alta eficiencia de extraccin. Loscapilares son conductos que transportan alona, sustanciavital para el crecimiento de la planta, que durante elproceso de extraccin promueve la oxidacin del gel,deteriorando su calidad [8].La resistencia a la compresin, permitir tambinestablecer algunos aspectos constructivos de la mquina,como son materiales y elementos mecnicos que estarnsometidos a esfuerzos considerables durante el procesode compresin.La velocidad de compresin puede jugar un papelimportante en el proceso de extraccin, influyendo en laeficiencia y rapidez del procedimiento, sin embargo, deacuerdo a las pruebas de compresin realizadas entomates de rbol [9], la velocidad del ensayo no influysignificativamente en la resistencia a la compresin, porlo que es necesario un desarrollo experimental paradeterminar el efecto de este factor en el proceso deextraccin de gel de Aloe Vera.

Grosor mximo de la corteza: el grosor es unadimensin que permite determinar la separacin mnimade los elementos compresores, pues es de esperar que en


3/6

Scientia et Technica Ao XVI, No 48, Agosto de 2011. Universidad Tecnolgica de Pereira. 31

la etapa de compresin no se alcance a remover todo elcristal de la corteza; normalmente la separacin de estoscomponentes no es modificable, quedando algunos trozosque no logran ser comprimidos debido a la variabilidaddel grosor de la corteza.

Espesor mximo de la hoja: es otra dimensin de lahoja que determina algunos aspectos constructivos del

dispositivo de extraccin de aloe tales como la distanciade apertura entre las bandas compresoras cuando elproceso utilice dichos elementos o la separacin entre losrodillos compresores; tambin es clave para laterminacin de los elementos de alimentacin de lashojas a la mquina de extraccin.

Ancho mximo de la hoja: esta dimensin de la hojapermite establecer el ancho adecuado de los elementoscompresores en funcin de la cantidad de pencassimultaneas que se quieran procesar y del espacioadicional que debe proveerse a cada lado de la hoja, paraabarcar un rea adecuada donde sean comprimidos los

cristales que han sido desplazados por el gel.

Longitud mxima de la hoja: esta dimensin definealgunos aspectos constructivos de la mquina deextraccin de acuerdo al tipo elemento compresor querealice el proceso; particularmente si el dispositivocompresor utilizado es una placa plana, es necesaria lainclusin de esta magnitud en el diseo de la maquina.

2.2. Diseo del equipo de pruebasPara el diseo de la mquina de pruebas se sigui la

metodologa de diseo propuesta por Pahl y Beitz.2.2.1. Identificacin de las necesidadesHabiendo sido identificadas las caractersticas mecnicasde la hoja de Aloe Vera relevantes para el proceso deextraccin, se establecieron las necesidades que debasuplir la mquina desde el punto de vista de los futurosusuarios. Estas necesidades fueron agrupadas ycategorizadas segn se muestra en la tabla 1.

Categorizacin de las necesidades Importancia%

La mquina es fcil de ajustar y operar 13,2

la mquina tiene un alto desempeo 10,5

La mquina presenta bajos costos 10,5

La maquina es de uso agradable 7,9

La mquina es de fcil transporte y almacenamiento 10,5

La mquina es durable 13,2

La mquina es de fcil mantenimiento e instalacin 13,2

La mquina es segura 13,2

La mquina es amigable con el medio ambiente 7,9

Total 100,0

Tabla 1. Categorizacin de las necesidades

2.2.2. Desarrollo de las especificacionesEl gel de Aloe Vera se puede considerar como unmaterial viscoelstico, es decir que bajo ciertascondiciones de carga exhibe simultneamente laspropiedades viscosas propias de un lquido y las elsticas,

caractersticas de un slido.Con las necesidades establecidas y categorizadas, serealiz una bsqueda exhaustiva de informacinreferente a sistemas que realizan procesos similares decompresin y penetracin en materiales viscoelasticos;se encontraron varios trabajos cientficos en los que sereportaban pruebas mecnicas a diferentes tipos de frutas,verdura y hortalizas. Se exploraron tambin los catlogosde informacin tcnica que proveen los fabricantes deanalizadores de texturas y penetrmetros para frutas,donde se explican las caractersticas de funcionamiento,los rangos de fuerza y velocidad aplicadas en la pruebasque realizan dichas maquinas.Con la informacin

obtenida y mediante un trabajo de discusin al interiordel equipo de diseo se establecieron las especificacionespara el diseo, algunas de estas se muestran en la tabla 2.

Medida Unidad Valordeseado

Valormarginal

Nmero de pasos para lasujecin de penca

entero 3 5

Nmero de pasos requeridospara la ejecucin del ensayo

entero 8 15

Fuerza requerida para elajuste de los parmetros

N 2 10

Nmero de pasos requeridospara el ajuste de losparmetros

entero 2 5

tiempo requerido para laparada del ensayo s 0,01 0,1

Fuerza requerida para laparada del ensayo

N 2 10

Numero de pasos requeridospara detener el ensayo

entero 1 3

tiempo de funcionamientosin conexin a una fuente deenerga

min 30 5

periodo mximo de uso sinrealizar mantenimiento

horas 900 500

porcentaje de elementosestandarizados que posee lamaquina

% 80 60

fuerza de accionamiento dela maquina

N 2 10

volumen que ocupa lamaquina cm x cm xcm 60 x 50 x40 70 x 50 x 50

Peso de la mquina N 200 400tiempo requerido para eldesensamble parcial

min 30 90

Nmero de herramientasrequeridas para eldesensamble parcial

entero 2 6

Tabla 2. Subconjunto de especificaciones de diseo

2.2.3. Descomposicin funcional


4/6


Para identificar las funciones que debera poseer lamquina de ensayos, se cre un modelo mediante la

teora de la caja de cristal, esta se muestra en la figura 1.

Figura 1. Modelo de caja de cristal para la mquina de ensayos

2.2.4. Desarrollo de conceptos de solucinDe acuerdo al modelo de la caja de cristal seestablecieron las subfunciones que debe realizar lamquina de pruebas (AMTM100). Para determinar quesubsistemas, mecanismos o elementos podran darsolucin a cada una de estas subfunciones se utilizaron

varias tcnicas de creatividad y metodologas deconceptualizacin; el resultado fue un nmero muygrande de posibles conceptos de solucin; para reduciresta cantidad de posibles soluciones se aplic una tcnicade evaluacin de concepto que permitiera eliminar losconceptos menos viables de cada una de las subfuncionesy aquellas funciones que a pesar de ser necesarias, suoperacin no incide fuertemente en el desempeo de lamquina, esta tcnica es esbozada en la tabla 2.

Esta metodologa que ayuda a tomar una decisin conlimitada informacin, utiliza cuatro tcnicas diferentespara reducir la cantidad de conceptos generados a unospocos conceptos ms promisorios para ser desarrolladosen productos de calidad.Figura 2. Tcnica de evaluacin de concepto

El proceso de eliminacin inicial condujo a 3 posiblessoluciones cuya diferencia principal estaba centrada en elsistema que suministraba el movimiento y la fuerza alindentador. Realizada una segunda valoracin a estassoluciones, teniendo como criterios de medida lafacilidad en el diseo, la facilidad de construccin ymantenimiento, los costos y la portabilidad, se establecique la mejor opcin, era aquella que comprenda el usode un motor elctrico de baja potencia acoplado a un

tornillo de potencia.

2.2.5. Clculo del sistema de potenciaUna de las funciones ms importantes para elfuncionamiento de la mquina es la que le provee elmovimiento y la fuerza al indentador, esta funcin para lasolucin seleccionada es cumplida por un sistema motor-tornillo de potencia.

Clculos de diseo del tornillo de potenciaDatos del motor seleccionado:

Potencia : 70WVelocidad : 20120 rpm

Las ecuaciones para el clculo del tornillo (Ec. 1 a 4) sontomadas de Shigley [10].

El torque que produce el motor est determinado por:

Por lo que el valor del torque que puede transmitir elmotor es:

5, 55 N.m T 33, 33 N.m

Juicio de v iabilidad

Valoracin de disponibilidad

de tecnologa

Muchos conceptos

Tamizado pasa/no pasa

Mtodo d e la matriz de decisin

Abso luto

Relativo

Requerimientos de

los clientes

Estado d el arte

Instinto


5/6

Scientia et Technica Ao XVI, No 48, Agosto de 2011. Universidad Tecnolgica de Pereira. 33

El torque en un tornillo de potencia con un solo soporteesta dado por:

Donde

:Fuerza axial aplicada: Coeficiente de friccin entre el tornillo y la tuerca:ngulo de la hlice, para rosca cuadrada : Coeficiente de friccin entre el tonillo y su soporte(rodamiento): Dimetro del agujero del rodamientoDado que el tornillo esta soportado por dos rodamientosla ecuacin de torque queda de la siguiente manera:

De la cual se obtiene que la fuerza axial es:

El valor del coeficiente de friccin entre el tornillo(acero) y la tuerca (bronce), se tomo el mas crticoreportado en la literatura tcnica ( ). Para losrodamientos se utiliza los valores recomendados porSKF; para el rodamiento inferior (rgido de bolas) y para el rodamiento superior (contactoangular de doble hilera) .Reemplazando enla ecuacin 4 estos valores,los valores dimensionales deltornillo y de los rodamientos, se obtiene la fuerza axialque transmitir el tornillo:

fmin = 33,74 Nfmax = 202,67 N

A una velocidad de 20 rpm la fuerza a transmitir es de202,67 N, la cual se considera suficiente para los ensayosmecnicos planeados para la hoja de Aloe Vera; asmismo con un paso de 6 mm en el tornillo, la velocidadlineal mnima del indentador ser de 2 mm/s quecorresponde a la velocidad establecida para los ensayos.

2.2.6.

Prototipo virtual y comunicacin del diseoDe los conceptos seleccionados se pas al prototipovirtual de la mquina, para esto se utiliz el softwareSolidWorks 2010. La importancia del uso de softwaretipo CAD radica en la posibilidad de revisar y hacer loscambios al diseo de detalle de manera gil, de igualmanera es importante la actualizacin automtica de losplanos cuando estos cambios se efectan. En la figura 2se presentan una imagen del prototipo generado con elsoftware.

Figura 2. Prototipo virtual de la mquina de ensayos

Verificado el prototipo virtual en cuanto a suscaractersticas dimensionales, de resistencia yoperacionales, se generaron los planos de detalle y

ensamble para su construccin. En la figura 3 se presentaun plano tpico generado.

Figura 3. Mdulo de movimiento de la mquina de ensayos

2.3. Construccin de la mquinaLa construccin de la mquina fue contratada a unaempresa metalmecnica de la regin, en la figura 4 se


6/6


presenta la mquina en proceso de pre ensamble para suverificacin.

Figura 4. Mquina AMTM100 en proceso de construccin

Una vez finalizada la construccin de la mquina, seagregaron los elementos de control y los sensores y serealizaron varias pruebas de validacin. La mquina seencuentra lista para su uso.

3. RESULTADOSSe tiene una mquina portable, debidamenteinstrumentada y validada para ser utilizada en larealizacin de pruebas de resistencia a la penetrabilidad yresistencia a la compresin de las hojas de Aloe Vera. Lamquina es segura, tiene bajo consumo de potencia y suuso y mantenimiento no requiere grandes conocimientosni inversiones elevados.Para cada una de las pruebas, los valores de fuerza ydesplazamiento son almacenados en un datalogger; estosdebern despus ser trabajados estadsticamente parapresentar sus resultados tabulados o grficamente.Con esta mquina se espera poder determinar de maneraformal dos propiedades que se consideran crticas en eldesarrollo de herramientas y mecanismos para latransformacin primaria de las hojas de Aloe Vera.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESExisten varios mtodos para extraer el gel de la penca deAloe vera, en nuestro medio el ms utilizado es el que sehace por medios manuales. Industrialmente parece serque el que ms simplicidad prctica presenta es el que sehace utilizando elementos compresores.

La determinacin de la penetrabilidad y lacompresibilidad debe hacerse con mquinas que permitancontrolar y medir los parmetros de la prueba de maneraadecuada en cada una de corridas; la mquina AMTM hasido diseada con este propsito y se espera que su uso

permita determinar estas dos propiedades crticas en eldesarrollo de herramientas y mecanismos para latransformacin primaria de las hojas de aloe vera.

Lo ms importante en el proceso de diseo es ladeterminacin de las necesidades de los clientes, este esel punto de partida que se vuelve central en las fasesposteriores del proceso.

5. BIBLIOGRAFA[1] X. Huang, Aloe Vera gel extracting apparatus.

U. S. Patent 6 117 247, Sep. 12, 2000.

[2] D. Thompson, Aloe Vera plant gel separator. U.S. Patent4395942, Aug. 2, 1983.

[3] L. N. Tumlinson, Method and apparatus forextraction of Aloe Vera gel. U. S.Patent4555987, Dec. 3, 1985.

[4] T. A. Cottrell, Method and apparatus forextracting Aloe Vera gel. U. S. Patent4488482,Dec. 18, 1984.

[5] W. G. De Gray, Aloe Vera leaf processor. U. S.Patent4591387, May 27, 1986.

[6] B. C. Coats, Method of processing stabilizedAloe Vera gel obtained from the whole Aloe Veraleaf. U. S. Patent5356811, Oct. 18, 1994.

[7] V. Ciro, L. Montoya, y C. Milln,Caracterizacin de propiedades mecnicas del

banano (cavendish valery). RevistaFac.Nal.Agr.Medelln. Vol.58, No.2. p.2975-2988. 2005.

[8] F. Macas, et al.Propiedades fsicas, estructuralesy anlisis de crecimiento de la sbila (aloe spp.).Revista de Geografa Agrcola. Universidad

Autnoma Chapingo. Nmero 038. Texcoco,Mxico. pp. 41-54. Enero-junio. 2007

[9] V. Ciro, M Vahos, y C. Mrquez,Estudioexperimental de la fuerza de fractura en frutastropicales: el tomate de rbol (cyphomandra

betacea sendt).Dyna,julio, ao/vol. 72, nmero146. Universidad Nacional de Colombia.Medelln, Colombia. pp. 55-64. 2005.

[10] R. G. Budynas y J. K. Nisbeth. Diseo eningeniera mecnica de Shigley. 6 ed.,Mxico:Mcgraw Hill, 2008, pp. 400-408.

diseÑo de mÁquina para ensayos mecÁnicos para hoja de aloe vera 1225-833-1-pb

Documents