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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO INDUSTRIAL DE UNA MAQUINA
TRITURADORA DE PLASTICOS
Autor:
Juan Fernando Bravo Santana
[email protected] 201025118
Asesor:
RODRIGO ALBERTO MARÍN CASTILLO, PhD., M.Sc., Eng. Mec.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
2017
CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................................... 10
I. INTRODUCCION.................................................................................................................. 11
II. EL PLÁSTICO ...................................................................................................................... 14
2.1. Definición. ............................................................................................................................................ 17
2.2. Características. ..................................................................................................................................... 17
2.3. Clasificación ......................................................................................................................................... 18
2.3.1. Según su origen: ............................................................................................................................ 18
2.3.2. Según su estructura molecular. ..................................................................................................... 19
2.3.2.1. Elastómeros: ............................................................................................................................... 19
2.3.2.2. Termoestables: ........................................................................................................................... 19
2.3.2.3. Termoplásticos: .................................................................................................................... 19
2.4. Resinas plásticas más utilizadas: .......................................................................................................... 20
III. RECICLAJE DEL PLÁSTICO .......................................................................................... 22
3.1 La Regla de las 3 R................................................................................................................................ 23
3.2. Reciclaje. .............................................................................................................................................. 24
3.2.1 Identificación de polímeros: ........................................................................................................... 24
3.3. Opciones de Reciclaje : ........................................................................................................................ 26
3.3.1 Reciclaje primario. mecánico posindustrial. .................................................................................. 26
3.3.2. Reciclaje Secundario. mecánico pos-consumo ............................................................................. 26
3.3.3. Reciclaje terciario - Reciclaje químico. ........................................................................................ 27
3.3.4. Reciclaje cuaternario – Incineración con recuperación de energía. .............................................. 27
Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004) .......................................... 30
3.3.5. La “basura”, una oportunidad. ...................................................................................................... 31
IV. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 33
4.1. Objetivo General .................................................................................................................................. 33
4.2. Objetivos específicos ............................................................................................................................ 33
V. DISEÑO ................................................................................................................................. 34
5.1. Estructura de soporte ............................................................................................................................ 35
5.2. Motor eléctrico y caja de reducción ..................................................................................................... 36
5.3. Engranajes ............................................................................................................................................ 39
5.3.1. Calculo de esfuerzo debido a la flexión en la base de los dientes. ................................................ 40
5.3.2. Calculo de esfuerzo debido al contacto superficial en los dientes. ............................................... 41
5.4. Cuchillas ............................................................................................................................................... 43
5.5. Bujes separadores ................................................................................................................................. 45
5.6. Ejes ....................................................................................................................................................... 46
5.7. Rodamientos ......................................................................................................................................... 55
5.8. Mesa de soporte .................................................................................................................................... 57
5.9. Tolva ..................................................................................................................................................... 60
5.10. Elementos de fijación ......................................................................................................................... 62
VI. MANUFACTURA ............................................................................................................... 63
6.1. Estructura de soporte ............................................................................................................................ 63
6.2. Engranajes ............................................................................................................................................ 65
6.3. Cuchillas ............................................................................................................................................... 65
6.4. Bujes separadores ................................................................................................................................. 66
6.5. Ejes ....................................................................................................................................................... 67
6.6. Mesa de soporte .................................................................................................................................... 69
6.7 Tolva ...................................................................................................................................................... 71
6.8. Motor y caja de reducción .................................................................................................................... 71
VII. PRUEBAS ............................................................................................................................ 74
VIII. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................................ 76
IX. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 78
X. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS COMPLEMENTARIOS ................................. 80
REFERENCIAS ........................................................................................................................... 81
ANEXOS ....................................................................................................................................... 86
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. CRONOLOGIA DEL PLASTICO ................................................................................................ 15
Tabla 2. CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS SEGUN SU ORIGEN .............................................. 18
Tabla 3: RESINAS PLASTICAS MAS USADAS ..................................................................................... 20
Tabla 4: CODIGOS DE IDENTIFICACION DE POLIMEROS ................................................................ 25
Tabla 5: APLICACIONES DE LOS RESIDUOS RECUPERADOS POR TIPO DE PLASTICO ............ 28
Tabla 6: APLICACIONES DE RESIDUOS PLASTICOS MEZCLADOS ............................................... 30
Tabla 7: ESPECIFICACIONES DE ELEMENTOS DE FIJACIÓN .......................................................... 62
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Residuos plásticos acumulados y eliminados (en millones de toneladas) _________________ 13
Figura 2. las 3 R del reciclaje __________________________________________________________ 23
Figura 3 Recuperación mecánica de plásticos. _____________________________________________ 26
Figura 4 Estructura de soporte. Vista isométrica ____________________________________________ 35
Figura 5. Estructura de soporte. _________________________________________________________ 35
Figura 6. Estructura de soporte. Simulación vista anterior abierta ______________________________ 35
Figura 7. Dimensiones Sistema de trituración en estructura de soporte. __________________________ 36
Figura 8. Simulación Caja de Reducción NMRV power. _____________________________________ 38
Figura 9. Simulación Motor Siemens ____________________________________________________ 38
Figura 10. Placa de especificaciones Motor Siemens 1LA7 112-6YA60 _________________________ 38
Figura 11. Distribución de fuerzas aplicadas sobre diente de engranaje __________________________ 40
Figura 12. Montaje de engranajes. Simulación Vista frontal __________________________________ 42
Figura 13 Montaje de engranajes. Simulación vista isométrica ________________________________ 42
Figura 14. Configuración de cuchillas utilizadas por SSI Shredder Systems ______________________ 43
Figura 15. Cuchilla. simulación vista frontal ______________________________________________ 44
Figura 16. Cuchilla. simulación vista isométrica ___________________________________________ 44
Figura 17. Buje. Simulación vista frontal _________________________________________________ 46
Figura 18. Buje. Simulación vista isométrica ______________________________________________ 46
Figura 19. Distribución de cargas en el Eje debido a cuchillas que generan una deflexión de 2mm ____ 48
Figura 20. Comprobación de deflexión máxima en el eje _____________________________________ 49
Figura 21. Simulación 3D de deflexión en el eje ___________________________________________ 49
Figura 22. Distribución de cargas en el eje, con incorporación de reacciones de momentos en los extremos
__________________________________________________________________________________ 50
Figura 23. Diagrama de momentos a lo largo del eje ________________________________________ 50
Figura 24. Vista isométrica eje. Simulación _______________________________________________ 55
Figura 25. Ensamble detallado de cuchillas y bujes en ejes. Simulación _________________________ 55
Figura 26. Vista superior de ensamble de cuchillas y bujes en ejes. Simulación ___________________ 55
Figura 27. Ensamble de rodamientos en cara anterior. Simulación _____________________________ 56
Figura 28. Ensamble rodamientos en cara posterior. Simulación _______________________________ 56
Figura 29. Chumacera UCFL207-20. Simulación ___________________________________________ 57
Figura 30. Mesa de soporte, vista isométrica. Simulación ____________________________________ 58
Figura 31 Mesa de porte, motor, caja de reducción. estructura de soporte. Simulación ______________ 58
Figura 32. Distancia del centro del agujero del eje a la base de la mesa de soporte _________________ 59
Figura 33. Distancia media de la caja de reducción _________________________________________ 59
Figura 34. Medidas de nivel mesa de soporte ______________________________________________ 59
Figura 35. Ubicación de las ruedas en mesa de soporte. ______________________________________ 60
Figura 36 acople de Tolva, vista frontal. Simulación ________________________________________ 61
Figura 37. Acople de Tolva, vista isométrica ______________________________________________ 61
Figura 38. Diseño Tolva. Simulación ____________________________________________________ 61
Figura 39. Estructura de soporte ________________________________________________________ 64
Figura 40. Engranajes post cementado ___________________________________________________ 65
Figura 41. Cuchillas post cementado_____________________________________________________ 66
Figura 42. Cuchillas rectificadas y afiladas ________________________________________________ 66
Figura 43. bujes separadores ___________________________________________________________ 67
Figura 44. Ejes ______________________________________________________________________ 68
Figura 45. Anillo de retención Seeger ____________________________________________________ 68
Figura 46. Ensamble ejes, bujes y cuchillas _______________________________________________ 68
Figura 47. Manufactura mesa de soporte _________________________________________________ 70
Figura 48. Proceso oxicorte en mesa de soporte ____________________________________________ 70
Figura 49. Ruedas giratoria de 100 Kg ___________________________________________________ 71
Figura 50. Tomacorriente y clavija NEMA L6-20 __________________________________________ 72
Figura 51. Configuración eléctrica Motor Siemens en estrella _________________________________ 72
Figura 52. Conexión y acople Arrancador ________________________________________________ 73
Figura 53. Acople, motor y caja de reducción por flange 112B5 _______________________________ 73
Figura 54. Ensamble completo de prototipo _______________________________________________ 73
Figura 55. Clasificación por tipo de plástico _______________________________________________ 74
Figura 56. Comprobación de corte ______________________________________________________ 75
Figura 57. pellets de un mismo material _________________________________________________ 76
Figura 58. Inserción de material en el prototipo ____________________________________________ 77
Figura 59: pellets de materiales plásticos combinados _______________________________________ 77
10
RESUMEN
La problemática que genera el inadecuado tratamiento de los desechos plásticos obliga a explorar
en el reciclaje alternativas de reutilización de los envases originales o de los materiales que los
conforman, generando en el proceso, un cambio en la forma de ver en los residuos ya no basura
desechable, sino fuentes de trabajo que incentiven el respeto por el planeta. Se presenta en este
trabajo una propuesta de diseño y construcción de una máquina trituradora que insertada en la
cadena de reciclaje del plástico permita reducir el volumen de sus residuos a partículas pequeñas,
listas para continuar la recuperación de sus componentes. Como resultado se obtuvo un prototipo
industrial autónomo cuya capacidad de trituración es de 0,36 kg por minuto y su peso neto es de
152kg, que por su costo, tamaño y capacidad de trabajo puede ser adaptado a ambientes de
reciclaje manual, contribuyendo así al estímulo de la industria del reciclaje.
Palabras Clave: Polímeros, plástico, medio ambiente, reciclaje, industria, prototipo, trituración,
pellets, diseño, fuerza, momento, capacidad, eficacia, manufactura
11
I. INTRODUCCION
La problemática ambiental, cada vez más creciente en el planeta requiere iniciativas de
recuperación urgentes; el reciclaje no solo responde a una exigencia ambiental, además se
convierte en una industria que genera fuentes de trabajo que se consolidan en los países que han
asumido el reto del manejo de sus residuos sólidos contaminantes, con un nuevo enfoque que
permite ver en la basura tesoros que pueden ser amigables con el planeta y generadores de
bienestar y riqueza para sus moradores.
Reciclar se ha convertido no solo en un tema ético y de respeto por el medio ambiente, en la
actualidad es un asunto de supervivencia que compete a las entidades del estado encargadas de
fomentar políticas encaminadas al manejo adecuado de los desechos y a los cambios culturales
necesarios para hacer de éste un problema de todos. Involucra además, muy especialmente al
aparato generador de riqueza por su doble papel de productor de residuos contaminantes y
propiciador de industria encaminada a la protección del planeta.
Las reales amenazas que enfrenta la naturaleza, como resultado de la contaminación desbordada,
requiere un cambio de paradigma en la forma como se pretenden explotar los recursos para
12
conseguir bienestar, pensando no únicamente en la conservación de las fuentes de trabajo sino de
la misma vida.
Este trabajo, aborda en su segundo capítulo a uno de los mayores contaminantes: el plástico. Se
estima que han sido producidas más de 9.100 millones de toneladas de este material desde su
aparición a mediados del siglo XX y la mayoría de sus residuos han ido a parar a botaderos a
cielo abierto, ríos y océanos, según resultados de la investigación “Production, use, and fate of all
plastics ever made”, (Geyer, Jambeck, & Law, 2017). El problema está en el manejo que se hace
de un material no biodegradable, creado para durar mucho tiempo pero para usar una sola vez y
desecharse, que puede permanecer en el planeta durante cientos de años invadiendo ecosistemas,
obstruyendo el crecimiento de plantas, contribuyendo a generar efecto invernadero, invadiendo
hábitats y en resumen incidiendo negativamente en el medio ambiente. La investigación de Geyer
y su equipo, resalta cómo para el año 2015 de 7.000 millones de toneladas de residuos plásticos
solo el 9% fue reciclado. La figura1, muestra la tendencia histórica tanto de la generación de
residuos plásticos como del manejo que se ha hecho de los mismos desde su aparición en 1950 y
su proyección al año 2050. Las líneas sólidas muestran datos históricos de 1950 al 2015; las
líneas punteadas muestran las proyecciones de tendencias históricas hasta 2050, de no tomarse las
medidas necesarias para reducir el consumo del plástico o al menos modificar las estrategias para
el manejo de sus residuos. (Geyer, Jambeck, & Law, 2017).
13
Geyer et al. Sci Adv;2017 - Recuperado de http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1700782
Figura 1. Residuos plásticos acumulados y eliminados (en millones de toneladas) (Geyer, Jambeck, & Law, 2017)
El manejo de los residuos plásticos y el reciclaje como mecanismo para contrarrestar el avance de
la contaminación, serán el tema del tercer capítulo. A partir del cuarto capítulo aborda la
formulación de los objetivos de la propuesta motivo de este trabajo. El diseño y manufactura del
prototipo de trituradora de plásticos, se tratarán en los capítulos 5 y 6; en el capitulo 7 se
explican las pruebas realizadas al sistema y en el 8 el análisis de los resultados obtenidos. Para
llegar en el capitulo 9 a conclusiones y en el 10 a recomendaciones y trabajos complementarios
que se sugieren para aumentar su eficacia de aplicación y uso en la industria del reciclaje de
plásticos. mejorar el desempeño de la máquina .
14
II. EL PLÁSTICO
El término plástico, procede de la palabra griega plastikos que significa moldeable.
Cotidianamente el termino se refiere a sustancias que poseen propiedades de elasticidad y
flexibilidad que les permite ser moldeadas y adaptadas a innumerables formas y aplicaciones, se
trata del primer material creado artificialmente, su primera versión aparece en el año 1860,
cuando el inventor estadounidense Wesley Hyatt, mezcla Nitrato de Celulosa + Alcanfor +
Alcohol obteniendo una sustancia a la que da el nombre de Celuloide. Luego de ser patentada la
novedad de su producto tuvo éxito comercial a pesar de ser inflamable y deteriorarse en presencia
de la luz. Inicialmente fue encaminado a sustituir el marfil, sin embargo su principal uso se
centró en la industria fílmica y de fotografía en las que solo se usaba este material hasta la
aparición del acetato en la década de 1950. (Textos Cientificos.com, 2005)
El primer plástico totalmente sintético, aparece en 1907 cuando el químico Leo Hendrik
Baekeland (1863-1944) sintetiza un polímero a partir de moléculas de fenol y formaldehido, el
resultado una materia viscosa que podía moldearse mientras se formaba, pero que permanecía
rígida una vez se enfriaba, llamó a su producto bakelita. El siglo XX será reconocido en la
historia como la era del plástico, ya que fue en esa época en donde tuvo mayor auge el
15
descubrimiento de nuevas variedades de este material. La tabla 1, presenta la aparición
cronológica de algunos tipos de plásticos y sus aplicaciones:
Tabla 1. CRONOLOGIA DEL PLASTICO
AÑO TIPO DE
PLÁSTICO COMPUESTO EJEMPLOS
1860 Celuloide Nitrato de celulosa +
alcanfor +alcohol
Base para películas cinematográficas y
fotografías
1899 Caseína Conjunto heterogéneo
de proteínas lácteas
Plástico rígido como el marfil artificial,
fibras, láminas, plástico desechable
biodegradable.
1907 Baquelita Fenol y formaldehido Aisladores de terminales eléctricos,
botones para tapas de ollas
1930 Poliestireno o
estireno
Etilbenceno +
catalizador +
temperatura = estireno
Por inyección: juguetes, instrumental
médico, tapas de botella, botellas,
contenedores. reflectores de luz,
cubiertas de construcción, equipajes,
1938
Politetrafluor
etilenos
(TEFLON)
Carbono + fluor
Utilizado como aislante en utensilios de
cocina, alfombras y telas y en
aplicaciones médicas por su gran
receptividad en el cuerpo humano
1939 Polietileno Carbono + hidrogeno Bolsas, botellas, vasos, en espuma, para
la industria náutica, embalajes
1941 Poliester
termoestable
PET: Etilenglicol +
tereftalato de dimetilo
Botellas plásticas contenedores para
alimentos
1943 Silicona silicio y oxigeno selladores, adhesivos, lubricantes
16
AÑO TIPO DE
PLÁSTICO COMPUESTO EJEMPLOS
1943
Policloruro
de vinilo -
PVC
Acetileno + ácido
clorhídrico
Polimerización del
monómero del cloruro
de vinilo
Aislamientos de cables y alambres,
ductos y tuberías, suelos, juguetes,
molduras, empaques…
1953 Policarbonato Bisfenol A + fosgeno
Cd, DVD, lentes oftálmicos, mobiliario,
cascos protectores, material deportivo,
laminas
1954 Poliuretano
Reacción química de
isocianatos y
alcoholes polihídricos
Espumas, aislamientos térmicos, lacas,
cámaras de aire de balones y calzado
deportivo
1957 Polipropileno
Polimerización del
propleno (subproducto
gaseoso de la
refinación del
petróleo)
Recipientes resistentes a altas
temperaturas, muebles plásticos, hilos,
películas de envolturas
Polímeros de
cristal liquido
Pantallas de cristal líquido, cuerdas de
paracaídas, hilos tensores, guantes anti
corte, cables de puentes colgantes,
airbags, acoples de fibra óptica
Fuente: (Escuela colombiana de ingenieria, 2007)
17
2.1. Definición.
El plástico es un material orgánico, formado por grandes moléculas denominadas polímeros, que
se estructuran en grandes cadenas átomos, de elevado peso molecular. Las macromoléculas, a su
vez se encuentran formadas por moléculas más pequeñas, denominadas monómeros, constituidos
fundamentalmente por átomos de carbono, nitrógeno, oxigeno, hidrógeno, sodio o azufre. La
principal materia prima para la producción de plástico, además del gas natural, es el petróleo.
2.2. Características.
A pesar de que en su composición y estructura los polímeros son diferentes entre sí, en términos
generales las propiedades que tienen en común y que los hace distintos a otras sustancias se
refieren a:
Alta flexibilidad.
Baja densidad, lo que facilita la elaboración de piezas livianas,
Alta resistencia química, vulnerables a algunos disolventes orgánicos, pero casi inalterables a
agentes ácidos y bases, lo que les permite aislar de infinidad de agentes químicos, cómo
cloro, agua, peróxido de hidrógeno, oxigeno, alcoholes, entre otras sustancias.
Actúan como factor de barrera, aislando su contenido de la intervención de factores externos
como gases, sustancias contaminantes, humedad, etc,
Alta resistencia a la agresión de las condiciones atmosféricas,
Baja conductividad térmica y eléctrica que los hace un aislante ideal,
Alta maleabilidad, que les permite ser trabajados y moldeados fácilmente;
18
Permiten combinaciones con gran variedad de pigmentos y materiales para mejorar sus
propiedades.
Sanitariamente, son inertes, no reaccionan el ataque de encimas
En su proceso de envejecimiento, llegan al deterioro por acción de fatiga por uso o por estar
expuestos a rayos ultravioleta u oxígeno, pero, en estos casos el proceso puede tardar cientos
de años.
Reciclaje. En su mayoría, los desechos plásticos son susceptibles de reciclar, ya sea en
reutilización directa, recuperación de materias primas o usándolos como combustible.
2.3. Clasificación
En su versatilidad, los polímeros pueden ser clasificados bajo diferentes parámetros, como:
2.3.1. Según su origen:
Naturales, sintéticos y semisintéticos, como se observa en la tabla 2.
Tabla 2. CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS SEGUN SU ORIGEN
Naturales Procesos químicos naturales Caseína, Celulosa, Caucho
Sintéticos
Procesos tecnológicos en laboratorio o
industria, a partir de compuestos provenientes
mayoritariamente del petróleo
Baquelita, Nylon, poliéster,
polietileno
Semisintéticos Modificación química de sustancias orgánicas
Acetato de celulosa,
plásticos de caseína,
cauchos sintéticos
Fuente: (Escuela colombiana de ingenieria, 2007)
19
2.3.2. Según su estructura molecular.
De acuerdo al comportamiento de las moléculas del polímero, pueden clasificarse en:
elastómeros, termoestables y termoplásticos.
2.3.2.1. Elastómeros:
Al aplicar tensión, el plástico puede ser deformado fácilmente sin que se pierdan los enlaces de
sus moléculas, al cesar la tensión, el material vuelve a su estado original, como es el caso de,
caucho (suela de zapatos, mangueras, ruedas), neopreno (apoyo de vigas, cimentación
antisísmica), poliuretano (espumas), silicona (sellado de juntas)…
2.3.2.2. Termoestables:
Los plásticos de este tipo, solo son moldeables al calentarlos por primera vez, una vez enfriados,
no pueden ser recuperados por la ruptura de los enlaces moleculares en presencia del calor. Son
material compacto, están reticulados estrechamente en todas direcciones una vez formado su
fusión no es posible, resistentes a altas temperaturas, insolubles, no se ablandan, ni carbonizan en
presencia de calor. Algunas aplicaciones de este material son la baquelita, recubrimientos de
resina de poliéster como el de piscinas, melaninas presentes en chapas, mesas, tableros, etc.
(Greif, Kaufmann, & Vosseburguer, 2005)
2.3.2.3. Termoplásticos:
Son fundibles y solubles, toman la forma del molde y al enfriarse se solidifican conservando la
forma, proceso que puede repetirse sin que la materia pierda sus propiedades. A temperatura
ambiente se presentan al tacto desde consistencias blandas y resistentes, hasta duras y frágiles. Se
20
dividen en amorfos que son transparentes, su estado molecular se asemeja al del vidrio; y
parcialmente cristalinos, que presentan un aspecto lechoso. En esta clasificación se encuentran:
Nylon (cuerdas de pescar), poliestireno (icopor), polivinilo (tubos, desagües), polietileno
(envases para alimentos), polipropileno (tapas de refrescos), poliéster (botellas, envases). (Greif,
Kaufman, Vosseburger, introducción a la tecnología de los plásticos, 2005, p.6)
2.4. Resinas plásticas más utilizadas:
En la tabla No. 3 aparecen las resinas plásticas de uso más frecuente, su descripción y
características. (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004).
Tabla 3: RESINAS PLASTICAS MAS USADAS
NOMBRE DESCRIPCION
POLIETILEN
TEREFTALATO
(PET)
Constituido de petróleo crudo, gas y aire, un kilo de PET es 64% de
petróleo, 23% de derivados líquidos del gas natural y 13% de aire. A
partir del petróleo crudo se extrae el paraxileno y se oxida con el aire
para obtener ácido tereftálico. formar el etilenglicol. De la
combinación del ácido tereftálico y el etilenglicol se produce el PET
POLIETILENO DE
ALTA Y BAJA
DENSI.
Se produce a partir de un derivado del petróleo o gas natural, el
etileno, en presencia de un catalizador, que en el producto final tienen
la forma de gránulos, denominados pellets. Dependiendo de las
condiciones del proceso de fabricación se obtienen polietileno de alta
o de baja densidad.
21
NOMBRE DESCRIPCION
POLIPRO
PILENO
(PP)
Hidrocarburo producido a través de la polimerización del propileno (el
cual es un gas resultante subproducto de la industria petroquímica),
utilizando catalizadores para su reacción.
POLIESTIRENO
(PS)
El poliestireno, resultante de la síntesis orgánica entre el etileno y el
benceno (derivados del petróleo) para formar el monómero del
estireno que se polimeriza a poliestireno.
CLORURO DE
POLIVINILO
(PVC)
Considerado el termoplástico más versátil. Compuesto de tres
elementos naturales: carbono e hidrógeno y cloro. Mediante la
combinación del etileno y el cloro se obtiene el monómero cloruro de
vinilo, que a su vez se polimeriza mediante procesos de suspensión,
emulsión o masa, para obtener como resultado el PVC en su estado de
resina virgen. Dependiendo de los aditivos seleccionados, los
productos de PVC pueden ser totalmente rígidos o flexibles,
transparentes u opacos y adquirir cualquier forma, textura o color.
Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004)
22
III. RECICLAJE DEL PLÁSTICO
Casi imposible en el mundo moderno imaginar la vida sin plástico, a pesar de ser un material
relativamente nuevo desde su aparición “formal”, a mediados del siglo XX su crecimiento ha sido
exponencial, llegando a desbordar la capacidad de uso en la imaginación tanto de quienes lo
producen como del consumidor final, en el sector industrial, comercial y doméstico.
Prácticamente ningún campo de la vida actual está libre de la presencia del plástico
Este producto, apto para infinidad de tareas humanas, fácil de elaborar y económico, fue creado
para una vida útil muy corta pero para una durabilidad muy larga, convirtiéndose a pesar de su
aparente inocuidad en un factor muy alto de polución por acumulación ya que su degradación
puede tardar cientos de años, por tanto el material que no es reutilizado, va aparar a ríos, mares,
botaderos, o a campo abierto, contaminando el medio ambiente en proporciones casi catastróficas
que amenazan la supervivencia de la vida en el planeta, además su principal materia prima es el
petróleo, recurso natural no renovable, sin olvidar que algunos de los químicos usados en su
fabricación son tóxicos.
Modificar los hábitos de consumo y dependencia de los polímeros, sería un gran paso al afrontar
la problemática de la invasión del plástico, en ello trabajan las autoridades ambientales e implica
un cambio de paradigma y cultura que devuelve al ser humano a lo perenne, sobrepasando la
23
mentalidad de lo fácilmente desechable. Mientras tanto, lo real es que tenemos enormes
cantidades de residuos plásticos contaminando ríos, mares, y todo tipo de hábitats en el mundo.
En Colombia se producen a rededor de 11.6 millones de toneladas de residuos sólidos al año y de
ellos se recicla solo el 17% (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible 2018, 2016). Luis
Felipe Bedoya, Jefe de Planta de PET de la fundación Socya, afirma que, “que durante 2015 en el
país se recuperaron entre 3.000 y 3.500 toneladas de envases Pet, lo que representa tan solo 26%
del total”. “La verdad falta mucho por hacer si se compara con países como Ecuador, que tiene
una tasa alta de reciclaje. En Colombia el 74% de los envases va a parar a los rellenos sanitarios”.
(Zarta, 2016)
3.1 La Regla de las 3 R.
Como a todos los residuos sólidos (RS), a los plásticos se les aplica la ley de las tres “R”:
Reducir,Reutilizar, Reciclar.
Figura 2. las 3 R del reciclaje
Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo
Territorial, 2004)
Reducir.- Limitar el consumo de elementos plástico.
Reutilizar.- sobrepasar el uso inicial por el cual fue
adquirido un objeto y permitirse utilizarlos en
nuevas y variadas formas
Reciclar.- recolectar, clasificar, limpiar y triturar los
polímeros a fin de recuperar la materia de la que
están compuestos par fundirlos y hacer nuevos
elementos que permitan su recirculación.
24
3.2. Reciclaje.
La acción de reciclar, se refiere a obtener una nueva materia prima o un nuevo objeto, mediante
procesos físico – químicos o mecánicos, con base en la utilización de residuos de materiales
sobrantes de una primera fabricación y/o materiales que ya han sido usados y desechados. Busca
reducir el consumo de materias vírgenes, evitar impactar el medio ambiente al reducir la
acumulación de basuras, enfrentar el agotamiento de los recursos naturales, fomentar la
recirculación de objetos útiles, crear nuevas fuentes de trabajo e incidir en la cultura del
aprovechamiento de los residuos sólidos.
Para el caso específico del plástico, en general, todos sus residuos son susceptibles de reciclarse,
sin embargo es más fácil hacerlo con los termoplásticos que posibilitan la recuperación de sus
componentes para elaborar nuevos productos con menor calidad que los primeros pero reusables
en el mismo sentido de sus originales; para el caso de los termoestables, la posibilidad de
recuperación de materias primas es menor, pudiéndose usar en combinación con otras resinas
para su reutilización
3.2.1 Identificación de polímeros:
El primer paso en el proceso de recuperación y/o reutilización de los polímeros, es la
identificación de los materiales susceptibles de ser reciclados, en ese sentido, en 1988 la Sociedad
de la Industria de los Plásticos, SPI (por sus siglas en ingles), crea un sistema de símbolos que
permite identificar el material con el que fue elaborado el plástico, a fin de facilitar su reciclaje
pos-consumo, de los plásticos más usados en el mundo, como se muestra en la tabla No.3
25
Tabla 4: CODIGOS DE IDENTIFICACION DE POLIMEROS
CODIGO TIPO DE
PLASTICO
ACRONIMO USOS
Polietileno de
tereftalato
PET Envases de gaseosas, agua, aceites, vinos;
envases farmacéuticos; cuerdas, zunchos,
fibras
Polietileno de
alta densidad
PEAD - HDPE Canastas, cubetas, transporte de frutas,
recubrimientos de cables, letrinas, cuñetes
para pintura, conos de señalización
Vinilos
Cloruro de
polivinilo
V
PVC
Tuberías y accesorios para suministro de
agua potable, ductos, canaletas, bajantes
mangueras, envases de alimentos
Polietileno de
baja densidad
LDPE Laminas para envolver, películas para uso
agrícola, invernaderos, láminas adhesivas,
mangueras, bolsas, tapas
Polipropileno PP Empaques flexibles, bolsas empaque, fibra
textil, muebles, vasos, botellas, botellones,
juguetes
Poliestireno PS Menaje desechable, hueveras, bandejas de
carne, contrapuestas para nevera
Otros como
policarbonato
PC Materiales a prueba de bala, DVD, gafas
para sol
Fuente: (Greif, Kaufmann, & Vosseburguer, 2005)
26
3.3. Opciones de Reciclaje :
3.3.1 Reciclaje primario. mecánico posindustrial.
Destinado a los polímeros termoestables, cuando estos se encuentran separados por tipo de
material y libres de contaminación, para ser molidos, peletizados y luego convertidos en nuevas
materias primas del mismo material original. Tiene lugar en el mismo proceso en que se genera el
residuo, durante la fabricación.
3.3.2. Reciclaje Secundario. mecánico pos-consumo
En este caso, no se consigue el polímero original, su calidad es diferente debido a la procedencia
del material a reciclar: residuos de plástico una vez ha terminado su vida útil, que se muelen y
funden dentro de un extrusor.
Debe evitarse el reciclaje mecánico de plásticos que en su vida útil hayan estado en contacto con
sustancias tóxicas o peligrosas. Y el material recuperado no podrá ser usado para elaborar
productos relacionados con alimentos, sustancias farmacéuticas o juguetes.
Figura 3 Recuperación mecánica de plásticos. Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004)
27
3.3.3. Reciclaje terciario - Reciclaje químico.
El plástico es sometido a procesos físico químicos básicos y combustibles, el proceso involucra el
rompimiento de las largas cadenas de los polímeros en monómeros (monóxidos de hidrógeno y
de carbono),
Este reciclaje es aplicado principalmente en resinas de complejo manejo para reutilización por
reciclaje mecánico, como es el caso de plásticos compuestos, partes de automóviles, cables,
textiles, tapetes, etc. Los principales métodos usados: la pirolisis y la gasificación, ofrecen la
ventaja de no necesitar la separación por tipo de polímero, lo que permite aprovechar los
plásticos mezclados
3.3.4. Reciclaje cuaternario – Incineración con recuperación de energía.
Se busca a través de combustión controlada del plástico utilizar la energía térmica liberada; es
usado entonces como combustible alternativo, que puede ser empleado en hornos industriales:
cementeros, siderúrgicos, ladrilleros, etc. O como combustible para generar energía en hornos
incineradores. La incineración se presenta como alternativa de reciclaje, sin embargo el proceso
se encuentra en análisis, por el riesgo subyacente y las consecuencias ambientales de liberar gases
con contenidos tóxicos, además de generar gases con efecto invernadero en el proceso de quema
del plástico.
Así, cómo son infinitas las utilidades del plástico, las del material recuperado a partir de éste en
reciclaje, también lo son, la tabla 4 presenta algunos ejemplos de las aplicaciones del material
recuperado por tipos de plástico.
28
Tabla 5: APLICACIONES DE LOS RESIDUOS RECUPERADOS POR TIPO DE PLASTICO
PLÁSTICO APLICACIONES
Polietilen
Tereftalato
(PET)
Producción de fibra, ya sea en hilos finos para tejidos o en fibras más
gruesas para material aislante; tejas, zunchos, rafias, escobas, cepillos.
• El PET contaminado con otros polímeros no es apto para el reciclado
mecánico, pero puede utilizarse para como materia prima en reciclaje
químico. Existen equipos y tecnologías para hacer que el recuperado de las
botellas de PET se use para hacer nuevamente botellas para contacto con
alimentos. • Materiales para blindaje y como materiales de relleno para
chaquetas.
Polietileno de
alta densidad
(PEAD)
•Láminas, botellas, barriles para recolectar agua y bidones para
compostaje. Procesos de moldeo para fabricar contenedores o tanques. En
nuevas botellas moldeadas mediante soplado. Es una excelente materia
prima para hacer madera plástica. Envases soplados para uso en productos
no alimenticios, como detergentes y aceites. Baldes para pintura, minería y
cestas para basura. Contenedores industriales. Barreras de señalización.
Marcos o perfilerías. • Bolsas de colores dependiendo de la procedencia.
Cloruro de
polivinilo(PVC)
Las tuberías, perfiles o paneles (marcos usados de ventanas, puertas)
pueden reciclarse en aplicaciones análogas. Las botellas y los residuos de
otros productos de PVC rígido de corta vida, como tarjetas de crédito,
pueden aprovecharse en la producción de ductos para cable, tuberías,
accesorios para tuberías que no transportes agua potable, baldosas o
monofilamentos para escobas y cepillos. El procedente de carcazas de
computadores y teclados pueden utilizarse en segundas aplicaciones
29
PLÁSTICO APLICACIONES
idénticas. La fracción de PVC puede reciclarse en revestimientos para
pisos industriales, tapetes para automóviles, suelas de zapatos,
guardabarros, barreras acústicas y mangueras de jardín
Polietileno de
baja densidad
(PEBD, PELBD)
Bolsas Industriales, Contenedores, Bolsas de uso general, Mangueras para
riego dependiendo de la procedencia, Envases para productos no
alimenticios. Los desechos transparentes de alta calidad en bolsas para
mercado, el material de calidad inferior en bolsas para basura. Los
desechos plásticos de empaques para aplicaciones agrícolas para fabricar
nuevos empaques similares. El aislamiento y la protección de cables, como
también en los desechos de la producción de cables, en barreras acústicas,
perfiles para muebles, contenedores pequeños y macetas.
Polipropileno
(PP)
Sector agrícola: Sistemas de aspersión, válvulas, cajas de recolección,
comederos para aves. Sector marítimo: Protectores para botes, cabos de
amarre. Sector de la construcción: Láminas divisorias, reemplazo de
triplex, divisiones oficinas, separadores cielorrasos. Sector automotriz:
Bandejas para baterías, protectores guardabarros. Sector Industrial: Cajas
de recolección de piezas, tapones, rollos para embobinar, textiles,
películas, cajas de herramientas, plantillas para escobas y cepillos, zuncho,
elementos decorativos, elementos promocionales, tacones de zapatos,
ganchos para colgar ropa, conos y cilindros para embobinado de hilo e
hilazas, baldes y todo tipo de recipientes.
30
PLÁSTICO APLICACIONES
Poliestireno (PS) •Poliestireno espumado en adhesivos, impermeabilizantes y asfaltos
modificados. Poliestireno rígido, en equipos de oficina, Ganchos para
colgar ropa. Conos y cilindros para embobinado de hilo e hilazas.
Perfilería de uso arquitectónico o eléctrico. Rejillas y cielorrasos de uso
arquitectónico. Divisiones para baño. Componentes para suelas de zapatos.
Para baldosas o pisos sintéticos. Pegantes industriales. Adoquines
aglutinados. Madera plástica para estibas, postes, cercas, estacas. Mezcla
para asfaltos. Muebles inyectados (sillas, mesas). Bidones, baldes para uso
industrial. Materas termoformadas e inyectadas para jardinería. Semilleros
de uso general.
Otros Policarbo
nato(PC)
Estireno• Nylon
• Acetales
Aleaciones de polímeros. plásticos compuestos; Se pueden aplicar en la
producción de: Autoparte, adoquines, carcazas para electrodomésticos,
teléfonos, muebles, laminas de aglomerado con aserrín y cartón.
Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004)
Tabla 6: APLICACIONES DE RESIDUOS PLASTICOS MEZCLADOS
SECTOR APLICACIÓN
Arquitectura Cercas, bancas, cajas para plantas y compostaje, muelles, postes o pilotes
Construcciones
agropecuarias
Casetas para porcicultura, estructuras de gallineros, cajas y macetas.
Transporte Paredes para aislamiento de ruidos, bases para señalización de tránsito,
canales para drenajes, tableros para protección de cables, segmentos de
pisos.
Fuente: (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004)
31
3.3.5. La “basura”, una oportunidad.
Colombia enfrenta en la actualidad un problema ambiental de grandes proporciones por el
manejo inadecuado de sus residuos sólidos; son muy pocas las ciudades que cuentan con rellenos
sanitarios adecuados para recolectar sus desperdicios y los que existen no cuentan con
condiciones técnicas óptimas para no causar impactos negativos en el medio ambiente o en la
comunidad circundante. Aprovechar los residuos sólidos, evitando su acumulación contaminante,
impacta directa y positivamente al medio ambiente evitando la saturación de los rellenos
sanitarios y mejorando las condiciones de vida de sus alrededores y de la población en general,
porque:
Según cifras oficiales los residuos son fuente de empleo para 300 mil familias colombianas y
se generan negocios por más de 354mil millones al año. (Andi, 2009).
El material reciclado constituye más del 50% de la materia prima que se utiliza en la
producción industrial (Andi, Asociacion Nacional de Recicladores, 2009). Sin embargo, a
pesar de las grandes cifras, la demanda rebasa en mucho la oferta de material reciclado que
existe, estudios realizados por Enka de Colombia, empresa dedicada a la producción y
comercialización de polímeros, Colombia se encuentra muy por debajo de la media mundial
en el reciclaje de productos elaborados con resinas plásticas. El informe muestra que el
promedio global es de 41%, por encima está Japón con el 78%, Brasil 56% y Australia con el
42%. Colombia aparece con el 26% y México con el 18% (Enka, 2016).
El panorama de atraso de la aplicación de buenas prácticas de recuperación de los residuos
sólidos en el país, ofrece una buena oportunidad para convertir el sector del reciclaje en un buen
32
negocio y ya son muchas empresas que lo han entendido así. Los más de 70 acuerdos
internacionales aprobados por Colombia para la recuperación del medio ambiente, el marco legal
existente, los incentivos en la contratación de empresas que incluyan la utilización de material
reciclado en sus ofertas, sumado al beneficio económico y de impacto social que significa el
aprovechamiento de los residuos, han logrado que entidades oficiales, compañías privadas y
agremiaciones estén viendo en las “basuras” un camino no explorado pero beneficioso para su
crecimiento y la creación de nuevos espacios de trabajo.
El reto está en sumarle a la legislación, al incentivo empresarial y al cambio cultural, mejoras
tecnológicas tanto en los procesos productivos, como en los de reciclaje y extender así “la lista de
buenas prácticas sostenibles que, sin dejar de ser negocio, dan respiro a rellenos sanitarios del
país que, día a día, ven menguada su capacidad de disposición por estar enterrando plata”. Rojas.
J. F. (2016, enero 10). El diseño y construcción de una máquina trituradora de plásticos, objeto y
fin de este trabajo, se encuentra inmerso en la cadena del reciclaje, e intenta contribuir a
responder al reto de las mejoras tecnológicas que al respecto presenta la problemática actual.
33
IV. OBJETIVOS
4.1. Objetivo General
Diseñar y construir un prototipo industrial automatizado de una máquina para triturar envases
de plástico. El dispositivo debe utilizar una única fuente de energía de corriente alterna y
tener una única entrada masiva para los envases y una salida para la molienda de los
elementos.
4.2. Objetivos específicos
Adaptar un sistema de inserción que no presente atascos en la alimentación de material.
Diseñar cuchillas para triturar la dureza más alta presentada en el plástico de consumo
doméstico y evitar el deslizamiento de material en la entrada.
Permitir su operación en ambientes comunes de reciclaje manual.
34
V. DISEÑO
En la cadena de reciclaje de los plásticos, la trituración desarrolla un papel fundamental porque es
allí en donde la reducción de la contaminación comienza a hacerse real, al reducir la acumulación
y convertirlo en un material homogéneo, independientemente de la forma y tamaño que tenga
originalmente. La tarea de los trituradores es facilitar el manejo del plástico al reducir su
volumen, posibilitando su manipulación; el producto que se obtiene son partículas pequeñas
denominadas pellets que ofrecen ventajas como: reducción de gasto de materias primas,
aprovechamiento de material de desperdicio, reducción de ocupación de espacios, abaratamiento
de materiales para la elaboración de nuevos productos.
Existen variados tipos de trituradoras, la mayoría de ellas funcionan con cuchillas de corte y la
diferencia principal se centra en la capacidad de corte y/o en el tipo de material que procesan.
Dentro de las diferentes configuraciones de trituradoras utilizada en la industria, se seleccionó
para este proyecto una máquina de doble eje, tomando en consideración el balance entre la
efectividad en la obtención de los pellets resultantes después de la trituración y el costo de la
máquina en su totalidad; adicionalmente se toma en cuenta que las trituradoras de doble eje son
las más utilizadas en sector reciclaje.
35
En el desarrollo del diseño de la maquina se tomaron muchas piezas en cuenta las cuales estarán
descritas a continuación con sus respectivas consideraciones.
5.1. Estructura de soporte
Para sostener el mecanismo de ejes y elementos de corte, se requiere de una caja lo
suficientemente resistente para soportar el peso y la fuerza que se generará en el sistema. Esta
estructura está compuesta de diferentes placas de hierro de ¾ de pulgada soldadas unas con otras
para dar la forma deseada y finalmente dejar un lado abierto en unas bridas que se fijarán a la
pared restante con elementos de unión roscados, con lo anterior se tiene una estructura de
ensamble en la cual se instalara el sistema principal de la máquina.
Las figuras 4, 5 y 6 presentan el diseño y simulación de la estructura:
Figura 4 Estructura de soporte. Vista isométrica
Figura 5. Estructura de soporte.
Simulación vista posterior abierta
Figura 6. Estructura de soporte. Simulación vista
anterior abierta
36
Las dimensiones de la caja están dadas para recibir botellas hasta de 2,5L de capacidad en largo y
ancho, con esto se presenta un diseño compacto que posibilita recibir las botella plástica más
grandes del mercado en la actualidad y el espacio donde se alojará el sistema de trituración y los
elementos de corte corresponde a 442 x 243mm., como se observa en la figura 7.
Figura 7. Dimensiones Sistema de trituración en estructura de soporte.
Simulación vista superior
5.2. Motor eléctrico y caja de reducción
Después de investigar acerca de los motores más comunes para molinos o trituradoras de
plásticos en la industria, se encontró que la potencia varía entre 1 y 3 HP para que en
combinación con una caja de reducción se pueda aprovechar esa disminución de velocidad y
transformarla en torque. En este proyecto se optó por utilizar un motor asincrónico trifásico de 3
HP y 1150 rpm de la marca siemens cuya referencia es 1LA7 112-6YA60; en combinación se
243mm
442mm
37
escogió una caja de reducción NMRVpower de tamaño 090 con reducción 20:1, y el tamaño del
flange es de tamaño 110/112B5 para las dos piezas del moto-reductor.
La elección de motor y reductor se hizo de esa forma, con el fin de obtener una velocidad de
rotación lo suficientemente baja para no aumentar la temperatura de la molienda lo cual perjudica
considerablemente la obtención de las pallets de plástico y además se requiere que no sea muy
baja porque los elementos de corte realizan su trabajo de cortar por principio de velocidad; como
resultado de la relación de reducción de la caja se tendrá un velocidad de salida de 57,5 rpm y
adicional a esto se aprovechara esa reducción como aumento de torque de la siguiente forma:
𝑃 = 3 𝐻𝑃 ∗0,7457𝑘𝑊
1 𝐻𝑃= 2,24 𝑘𝑊
𝜔 = 57,5𝑟𝑝𝑚 ∗2𝜋
60= 6,02 𝑟𝑎𝑑/𝑠
𝜏 =𝑃
𝜔=
2,24 𝑘𝑊
6,02 𝑟𝑎𝑑/𝑠= 372,09𝑁𝑚
Debido a la implementación de la caja de reducción, un torque de 18,52Nm que provenía del
motor a 1150rpm se convirtió en 372,09Nm a 57,5rpm lo cual entrega un par más que necesario
para la aplicación de triturar plástico según lo reportado en la literatura y de grupos que se
encargan de desarrollar máquinas con este mismo propósito. Estos grupos utilizan potencias del
orden de 2kW y velocidades de 70rpm que siguiendo el cálculo anterior se obtienen torques del
orden de 273,97Nm que son menores al obtenido en este proyecto. (Precious plastic, 2013)
38
Figura 8. Simulación Caja de Reducción NMRV power.
Tamaño 090 con reducción 20:1
Figura 9. Simulación MotorSiemens
1LA7 112-6YA60
Figura 10. Placa de especificaciones Motor Siemens 1LA7 112-6YA60
39
5.3. Engranajes
Es de gran importancia definir la transmisión de potencia que proviene del motor eléctrico, para
esta máquina se seleccionaron dos engranajes rectos de igual tamaño para cada eje los cuales
conectarán el sistema de trituración de plásticos. Esta decisión se debe a que los engranajes rectos
se instalan cuando se tienen ejes paralelos, minimizan costos y en general tienen una eficiencia
entre el 98% y 99%. Esta eficiencia es un poco menor en los engranajes helicoidales debido a la
fricción deslizante a lo largo del ángulo de la hélice que está entre un 96% y un 98%. (Norton,
2011)
En estas piezas se analizaron los esfuerzos que se generan superficialmente por contacto y de
flexión en la base de los dientes; este proceso a continuación esta en base al torque máximo que
se generara debido al motor eléctrico con su caja reductora mencionado anteriormente y su
velocidad angular de salida. Debido a que el sistema tiene dos ejes que recibirán potencia del
mismo motor, el torque generado se repartirá en partes iguales ya que los engranajes tienen el
mismo tamaño.
Datos del engranaje:
𝑍 = 18
𝐷𝑝 = 105𝑚𝑚
𝐵 = 0,015 𝑚
𝜙 = 20°
𝑚 = 5,83 𝑚𝑚
entre centros = 105 mm
𝑣𝑡 =𝜔∗𝐷𝑝
2=
6,02 𝑟𝑎𝑑
𝑠∗0,105 𝑚
2= 0,32
𝑚
𝑠
𝑄𝑣 = 7 Dada la velocidad de paso 𝑣𝑡.
40
5.3.1. Calculo de esfuerzo debido a la flexión en la base de los dientes.
Fuerza en los dientes:
𝑊𝑡 =2∗𝜏
𝐷𝑝=
2∗186,04 𝑁𝑚
0,105 𝑚= 3543,62 𝑁
𝑊𝑛 =𝑊𝑡
cos 𝜙=
3543,62 𝑁
cos 20°= 3771,04 𝑁
𝑊𝑟 = 𝑊𝑡 ∗ tan 𝜙 = 3543,62 𝑁 ∗ tan 20° = 1289,77 𝑁
Figura 11. Distribución de fuerzas aplicadas sobre diente de engranaje
Ecuación de Lewis modificada:
𝜎𝑡 =𝑊𝑡
𝑚 ∗ 𝐵 ∗ 𝐽
𝐾𝑎 ∗ 𝐾𝑠 ∗ 𝐾𝑚 ∗ 𝐾𝐵 ∗ 𝐾𝐼
𝐾𝑣
Donde:
𝐽 = 0,3 Carga aplicada en un punto medio del diente.
𝐾𝑎 = 1
𝐾𝑠 = 1
𝐾𝑚 = 1,6
𝐾𝐵 = 1
𝐾𝑣 = (𝐶1
𝐶1+√200∗𝑣𝑡)
𝐶2
𝐶2 =(12−𝑄𝑣)2/3
4=
(12−7)2/3
4= 0,73
41
𝐶1 = 50 + 56(1 − 𝐶2) = 50 + 56(1 − 0,73) = 65,12
𝐾𝑣 = (65,12
65,12+√200∗0,32 𝑚/𝑠)
0,73
= 0,94
𝐾𝐼 = 1
𝜎𝑡 =𝑊𝑡
𝑚∗𝐵∗𝐽
𝐾𝑎∗𝐾𝑠∗𝐾𝑚∗𝐾𝐵
𝐾𝑣=
3543,62
5,83 𝑚𝑚∗15 𝑚𝑚∗0,3∗
1∗1∗1,6∗1
0,94= 229,91 𝑀𝑃𝑎
En este caso un acero carburado y de recubrimiento endurecido funcionaría sin problemas debido
a su dureza de 55 a 64 HRC que según la información dada por la American Gear Manufacturers
Association (AGMA) tiene una resistencia a la fatiga por flexión de 380 a 520 MPa. El estudio de
la resistencia a la fatiga dada por la AGMA corresponde a un numero de ciclos de 1E7 y a un
99% de nivel de confiabilidad. ANEXO F
5.3.2. Calculo de esfuerzo debido al contacto superficial en los dientes.
𝑆𝑐 = 𝐶𝑝√𝑊𝑡
𝐵 ∗ 𝐼 ∗ 𝐷𝑝
𝐶𝑎 ∗ 𝐶𝑚 ∗ 𝐶𝑠 ∗ 𝐶𝑓
𝐶𝑣
𝐶𝑎 = 𝐾𝑎 = 1
𝐶𝑚 = 𝐾𝑚 = 1,6
𝐶𝑠 = 𝐾𝑠 = 1
𝐶𝑣 = 𝐾𝑣 = 0,94
𝐼 = 0,078 Para relación de 1:1 y ángulo de presión de 20°
𝐶𝑝 = 191 𝑀𝑃𝑎0,5 Para una relación de acero – acero.
𝐶𝑓 = 1
𝑆𝑐 = 𝐶𝑝√𝑊𝑡
𝐵∗𝐼∗𝐷𝑝
𝐶𝑎∗𝐶𝑚∗𝐶𝑠∗𝐶𝑓
𝐶𝑣= 186,42 𝑀𝑃𝑎0,5 ∗ √
3543,62 𝑁
15 𝑚𝑚∗0,08∗105𝑚𝑚
1∗1,6∗1∗1
0,94
=1289,81MPa
Según los datos reportados por AGMA un acero carburizado y cementado a 55-64 HRC operaria
bien ya que tiene una resistencia máxima a la fatiga superficial de 1300 MPa. ANEXO F
42
Después de analizar los datos de esfuerzo que someterán a los engranajes por flexión y por
contacto superficial, se seleccionó un acero 8620 cementado a 58 HRC que podrán operar sin
problemas bajo las cargas cíclicas de la máquina trituradora durante los 10E7 ciclos de vida útil.
Figura 12. Montaje de engranajes. Simulación Vista frontal
Figura 13 Montaje de engranajes. Simulación vista isométrica
43
5.4. Cuchillas
Los elementos de corte son los encargados de realizar el objetivo fundamental del sistema; para la
geometría de estos se tomó como base algunos diseños que han empleado compañías como SSI
Shredder Systems que se encarga de producir sistemas de trituración para distintas
configuraciones y materiales. Los diseños tomados en cuenta están a continuación - figura 13
Figura 14. Configuración de cuchillas utilizadas por SSI Shredder Systems
Un detalle en estas cuchillas es que manejan un orificio central hexagonal con el objetivo de
mantenerlas fijas en el eje y evitar el deslizamiento sobre el mismo; en este prototipo se optó por
cambiar el orificio hexagonal y dejarlo circular, debido a que fabricar un eje hexagonal de un
material lo suficientemente resistente, elevaría los costos considerablemente y para cumplir el
objetivo de no permitir el deslizamiento se implementará un sistema de doble chaveta y ranura a
180 grados el uno del otro; esta chaveta tendrá una dimensión de 3/8 de pulgada cuadrada para
garantizar la fijación de cuchillas alrededor del eje.
Con respecto a los diseños mostrados anteriormente, se consideró una cuchilla de 4 puntas de 60
grados de apertura, esto para tener múltiples cortes por cada revolución de la cuchilla y un
espesor de ¾ de pulgada lo cual permitirá que se disminuya el número de piezas a 11 por eje y se
complete el espacio destinado para alojar el sistema de trituración en la estructura de soporte.
44
Además, para determinar el diámetro máximo que tendrá la cuchilla se tomó en cuenta la
distancia entre centros de los engranajes utilizados de 105 mm y también el espacio de la
estructura de soporte cuyo valor es 243 mm; esto con el fin de saber el espacio que debe llenar el
elemento de corte para dejar un espacio de 2 mm con la pared de la caja que alberga el sistema en
su punto más cercano, el cálculo está a continuación:
𝐷𝐵𝑙𝑎𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑥 = 2 ∗ (243𝑚𝑚 − 2𝑚𝑚 − 2𝑚𝑚 − 105𝑚𝑚
2) = 134 𝑚𝑚
Para lograr el objetivo de dejar el mínimo espacio con la pared de la estructura de soporte se debe
tener un diámetro máximo de 134 mm el cual es donde están las puntas de las cuchillas.
Adicional a lo mencionado para lograr un proceso de corte efectivo, las piezas de corte de un
árbol deben encajar entre el espacio que dejan las piezas de corte del árbol opuesto así el material
entrara en esos espacios y se realizara el corte del mismo.
El diseño final de las cuchillas utilizadas en el prototipo, se presenta en las figuras 15 y 16
Figura 15. Cuchilla. simulación vista frontal
Figura 16. Cuchilla. simulación vista isométrica
45
En relación al material utilizado se seleccionó un acero 1020 pero con un proceso posterior de
templado para realizar los cortes del plástico, este proceso aumentará su dureza
considerablemente y podrá enfrentar las durezas de los plásticos, incluso las excepcionalmente
altas como es el caso de polietileno de alta densidad, HDPE.
5.5. Bujes separadores
A lo largo de los ejes se tienen repartidos los elementos de corte de plásticos pero es necesario
mantener un espacio entre ellos para que los del eje opuesto puedan introducirse en el mismo, por
tal motivo se requiere de unos elementos que garanticen ese espacio y por consiguiente que no se
presenten interferencias; es usual en la industria soldar platinas en las paredes de la estructura que
soporta el sistema para garantizar ese espacio, pero en este proyecto se diseñaron unos bujes los
cuales tienen el mismo sistema de chaveta y ranura que las cuchillas.
El espesor de los bujes se determinó de acuerdo al espacio deseado entre los elementos de corte,
este corresponde a una medida un poco mayor que el espesor de las cuchillas; de esta forma se
tendrá como resultado que las cuchillas entraran sin ajuste en los espacios del eje posterior que
dejan los bujes, este valor será de 19,45 mm ya que el valor en milímetros de las cuchillas de ¾
de espesor es de 19,05 mm
Además, el diámetro externo que tendrán se calculó al fijar un tamaño de hojuela o pallets
deseado en la salida de la máquina; se seleccionó un tamaño de 2 mm para facilidad de
procesamiento del material triturado en la cadena de reciclaje y para lograr esto se tomó en
cuenta el radio máximo de la cuchilla y la distancia entre centros de 105mm de la siguiente
forma:
46
𝐷𝐵𝑢𝑗𝑒 𝑚𝑎𝑥 = 2 ∗ (105 𝑚𝑚 −𝐷𝐵𝑙𝑎𝑑𝐶 𝑚𝑎𝑥
2− 𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑝𝑎𝑙𝑙𝑒𝑡𝑠)
𝐷𝐵𝑢𝑗𝑒 𝑚𝑎𝑥 = 2 ∗ (105 𝑚𝑚 −134 𝑚𝑚
2− 2 𝑚𝑚) = 72 𝑚𝑚
Figura 17. Buje. Simulación vista frontal
Figura 18. Buje. Simulación vista isométrica
Debido a que la función de estas piezas es separar a los elementos de corte, el material utilizado
será acero 1518, el cual es común en una barra perforada y dada la buena resistencia del material
alto en magnesio podrá soportar el plástico que entrará para ser cortado sin problema.
5.6. Ejes
En este prototipo, se debe hacer un buen diseño de los ejes que se implementarán ya que es uno
de los elementos más importantes en el proceso de la transmisión de potencia y funcionamiento
de la máquina.
47
En principio se tomaron algunas opciones de material y diámetros, pero finalmente se decidió en
este prototipo utilizar el acero SAE 1045 debido a su resistencia y costo, el diámetro del mismo
se fijó a 1 ¾ in considerando la separación de engranajes de 105mm, el diámetro de cuchillas y el
de los bujes separadores, con un par de hombros para la ubicación de chumaceras, el diámetro
menor será de 1 ¼ in y el radio de la herramienta en el hombro será de 1mm; cabe aclarar que
sobre la sección del diámetro mayor se encontrará el juego de cuchillas que le harán la fuerza a
causa del proceso de trituración. Con esta información se procedió a hacer los cálculos que
determinan el factor de seguridad contra la fatiga utilizando el criterio de Goodman en los puntos
del hombro donde hay un concentrador de esfuerzos y a lo largo de la sección donde están las
cuchillas, lo cual no incluirá concentradores de esfuerzo en el análisis. Adicionalmente se
realizarán los cálculos para el factor de seguridad contra la fluencia en los mismos puntos.
Para empezar el análisis se busca estimar una fuerza que es la que se genera en cada cuchilla al
tener contacto con un plástico en la entrada, para acotar un poco el problema se toma como
suposición un caso critico el cual es en el que todas las cuchillas están triturando al mismo
tiempo, lo cual significa un total de 6; esto debido a que las cuchillas están desfasadas 45 grados
una con la siguiente, así que mientras 6 están trabajando, 5 no lo están para un total de 11
cuchillas por eje como se había mencionado anteriormente. Estas 6 cuchillas están generando una
fuerza sobre un plástico común cuya pared es de 1mm de espesor y debido a que se juntan las
paredes opuestas al ser triturados, será de 2mm en total que pasaran por cada cuchilla; como
segunda suposición se asume una compresión del material del 90% y para calcular la fuerza que
realiza cada cuchilla se usa ese 10% como la deflexión que se generara en el eje en su punto
medio la cual es de 0,2mm.
48
Para determinar la fuerza se utilizó el software SkyCiv, (SkyCiv Cloud Engineering Software); se
introdujeron los parámetros de diámetro, material, longitud y ubicación de las fuerzas para así
obtener la fuerza que causara un deflexión máxima de 0,2mm en una viga de sección circular,
esta es de 1179N en cada cuchilla ya que el plástico para triturar será el mismo a lo largo de toda
la sección de trituración para este análisis. Cabe aclarar que la longitud que se está analizando es
de la sección donde están las cuchillas por lo tanto no se tienen en cuenta los hombros los cuales
están ubicados en los extremos de la barra a continuación [figuras 19, 20, 21].
Figura 19. Distribución de cargas en el Eje debido a cuchillas que generan una deflexión de 2mm
49
Figura 20. Comprobación de deflexión máxima en el eje
Figura 21. Simulación 3D de deflexión en el eje
Con la fuerza encontrada se hará un análisis para localizar los momentos de flexión a lo largo de
toda la barra incluyendo las reacciones de momento generadas en los extremos debido a la
fijación por las chumaceras justo en los hombros. [figura 22]
50
Figura 22. Distribución de cargas en el eje, con incorporación de reacciones de momentos en los extremos
Figura 23. Diagrama de momentos a lo largo del eje
Con los datos obtenidos se procede a hacer el cálculo del factor de seguridad contra la fatiga en la
sección de trituración y en el hombro.
Sección media:
51
𝑑 = 13
4 𝑖𝑛 = 0,04445𝑚
𝑆𝑢𝑡 = 565𝑀𝑃𝑎
𝑆′𝑒 = 0,5 ∗ 𝑆𝑢𝑡 = 282,5𝑀𝑃𝑎
𝑘𝑎 = 𝑎𝑆𝑢𝑡𝑏 = 0,84
𝑎 = 4,51
𝑏 = −0,265
𝑘𝑏 = 1,24𝑑−0,107 = 0,83
𝑘𝑐 = 𝑘𝑑 = 𝑘𝑒 = 𝑘𝑓 = 1
𝑆𝑒 = 𝑘𝑎𝑘𝑏𝑘𝑐𝑘𝑑𝑘𝑒𝑘𝑓𝑆′𝑒 = 196,34𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑎 = 𝑀𝑚 = 265,04 𝑁𝑚 Esto debido a que solo se genera deflexión en un sentido y
corresponde al momento mayor a lo largo del eje.
𝑇𝑎 = 0 𝑁𝑚
𝑇𝑚 = 186,07 𝑁𝑚 Proveniente del torque nominal del motor.
𝐾𝑓 = 𝐾𝑓𝑠 = 1 Debido a que no se tiene en cuenta el concentrador de esfuerzos por el
hombro en esta zona del eje.
Ahora se plantea la ecuación para el cálculo del factor de seguridad contra la fatiga según el
criterio de Goodman.
1
𝑛=
16
𝜋𝑑3{
1
𝑆𝑒[4(𝐾𝐶𝑀𝑎)2 + 3(𝐾𝑓𝑠𝑇𝑎)
2]
1 2⁄
+1
𝑆𝑢𝑡[4(𝐾𝑓𝑀𝑚)
2+ 3(𝐾𝑓𝑠𝑇𝑚)
2]
1 2⁄
}
𝑛 = 4,54
Según los resultados, se tiene un eje de vida infinita, es decir, que el eje no fallara bajo la carga
cíclica que se aplicará en la zona de trituración.
Sección del hombro:
52
𝑑 = 11
4 𝑖𝑛 = 0,03175𝑚
𝑆𝑢𝑡 = 565𝑀𝑃𝑎
𝑆′𝑒 = 0,5 ∗ 𝑆𝑢𝑡 = 282,5𝑀𝑃𝑎
𝑘𝑎 = 𝑎𝑆𝑢𝑡𝑏 = 0,84
𝑎 = 4,51
𝑏 = −0,265
𝑘𝑏 = 1,24𝑑−0,107 = 0,86
𝑘𝑐 = 𝑘𝑑 = 𝑘𝑒 = 𝑘𝑓 = 1
𝑆𝑒 = 𝑘𝑎𝑘𝑏𝑘𝑐𝑘𝑑𝑘𝑒𝑘𝑓𝑆′𝑒 = 203,53𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑎 = 𝑀𝑚 = 242,73 𝑁𝑚 Esto debido a que solo se genera deflexión en un sentido y
corresponde al momento en el extremo que se sentirá el hombro.
𝑇𝑎 = 0 𝑁𝑚
𝑇𝑚 = 186,07 𝑁𝑚 Proveniente del torque nominal del motor.
𝐾𝑓 = 1 + 𝑞(𝐾𝑡 − 1) = 1,84
𝑞 = 0,7 Debido a la grafica de sensibilidad a la muesca. (Budynas & Nisbett, 2012).
ANEXO G
𝐾𝑡 = 2,2 Debido a la grafica de factores teóricos de concentración de esfuerzos en
flexión. (Budynas & Nisbett, 2012). ANEXO J
𝐾𝑓𝑠 = 1 + 𝑞𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒(𝐾𝑡𝑠 − 1) = 1,7
𝑞𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 0,7 Debido a la grafica de sensibilidad a la muesca. (Budynas & Nisbett,
2012). ANEXO H
𝐾𝑡𝑠 = 2,2 Debido a la grafica de factores teóricos de concentración de esfuerzos en
torsión. (Budynas & Nisbett, 2012). ANEXO I
Ahora se plantea la ecuación para el calculo del factor de seguridad contra la fatiga
según el criterio de Goodman.
1
𝑛=
16
𝜋𝑑3{
1
𝑆𝑒[4(𝐾𝑓𝑀𝑎)
2+ 3(𝐾𝑓𝑠𝑇𝑎)
2]
1 2⁄
+1
𝑆𝑢𝑡[4(𝐾𝑓𝑀𝑚)
2+ 3(𝐾𝑓𝑠𝑇𝑚)
2]
1 2⁄
}
𝑛 = 1,0065
53
Con el resultado del factor de seguridad contra fatiga en el hombro, se concluye que no fallará
bajo las cargas cíclicas y tiene una vida infinita.
A continuación se realizara el análisis para el cálculo del factor de seguridad contra la fluencia en
los mismos puntos.
Sección media:
𝑑 = 13
4 𝑖𝑛 = 0,04445𝑚
𝑆𝑦 = 310𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑎 = 𝑀𝑚 = 265,04 𝑁𝑚 Esto debido a que solo se genera deflexión en un sentido y
corresponde al momento mayor a lo largo del eje.
𝑇𝑎 = 0 𝑁𝑚
𝑇𝑚 = 186,07 𝑁𝑚 Proveniente del torque nominal del motor.
𝐾𝑓 = 𝐾𝑓𝑠 = 1 Debido a que no se tiene en cuenta el concentrador de esfuerzos por el
hombro en esta zona del eje.
Ahora se plantea la ecuación para el calculo del esfuerzo máximo de Von Mises
𝜎′𝑚𝑎𝑥 = [(32𝐾𝑓(𝑀𝑚 + 𝑀𝑎)
𝜋𝑑3)
2
+ 3 (16𝐾𝑓𝑠(𝑇𝑚 + 𝑇𝑎)
𝜋𝑑3)
2
]
1 2⁄
𝜎′𝑚𝑎𝑥 = 64,25𝑀𝑃𝑎
Finalmente se obtiene el factor de seguridad.
𝑛𝑦 =𝑆𝑦
𝜎′𝑚𝑎𝑥= 4,82
De acuerdo al valor obtenido, se concluye que no habrá falla debido a la fluencia.
Sección del hombro:
𝑑 = 11
4 𝑖𝑛 = 0,03175𝑚
54
𝑆𝑦 = 310𝑀𝑃𝑎
𝑀𝑎 = 𝑀𝑚 = 242,73 𝑁𝑚 Esto debido a que solo se genera deflexión en un sentido y
corresponde al momento en el extremo que se sentirá el hombro.
𝑇𝑎 = 0 𝑁𝑚
𝑇𝑚 = 186,07 𝑁𝑚 Proveniente del torque nominal del motor.
𝐾𝑓 = 1 + 𝑞(𝐾𝑡 − 1) = 1,84
𝑞 = 0,7 Debido a la gráfica de sensibilidad a la muesca. (Budynas & Nisbett, 2012).
ANEXO G
𝐾𝑡 = 2,2 Debido a la grafica de factores teóricos de concentración de esfuerzos en
flexión. (Budynas & Nisbett, 2012). ANEXO J
𝐾𝑓𝑠 = 1 + 𝑞𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒(𝐾𝑡𝑠 − 1) = 1,7
𝑞𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 0,7 Debido a la gráfica de sensibilidad a la muesca. (Budynas & Nisbett,
2012). ANEXO H
𝐾𝑡𝑠 = 2,2 Debido a la grafica de factores teóricos de concentración de esfuerzos en
torsión. (Budynas & Nisbett, 2012). ANEXO I
Ahora se plantea la ecuación para el calculo del esfuerzo máximo de Von Mises
𝜎′𝑚𝑎𝑥 = [(32𝐾𝑓(𝑀𝑚 + 𝑀𝑎)
𝜋𝑑3)
2
+ 3 (16𝐾𝑓𝑠(𝑇𝑚 + 𝑇𝑎)
𝜋𝑑3)
2
]
1 2⁄
𝜎′𝑚𝑎𝑥 = 297,34 𝑀𝑃𝑎
Finalmente se obtiene el factor de seguridad.
𝑛𝑦 =𝑆𝑦
𝜎′𝑚𝑎𝑥= 1,04
Según el valor obtenido se tiene como resultado que no habrá falla debido a la fluencia en la
sección del hombro tampoco.
55
Según el análisis realizado anteriormente se concluye que los ejes soportarán las cargas
provenientes de esfuerzos al realizar el proceso de trituración en un periodo de infinitos ciclos y
su factor de seguridad global será de 1,0065. Las imágenes que ilustran el modelo de los ejes
están a continuación.
Figura 24. Vista isométrica eje. Simulación
Figura 25. Ensamble detallado de cuchillas y bujes en ejes.
Simulación
Figura 26. Vista superior de ensamble de cuchillas y bujes en ejes. Simulación
5.7. Rodamientos
Para el apoyo y libre movimiento de los ejes en el sistema de trituración se deben instalar dos
pares de rodamientos en cada extremo de los mismos, estos serán chumaceras de pared o tipo
brida de doble perno ya que las cuadradas que tienen 4 pernos ocupan un mayor espacio en los
56
lados de la caja de soporte y aumentan el costo; además debido a la distancia entre centros que
hay entre los ejes, no alcanzan unas chumaceras de 4 pernos con el diámetro del eje que se
utilizara en este prototipo.
Las chumaceras seleccionadas fueron las UCFL207-20 cuyas medidas de diámetro del eje es de 1
¼ in y permiten ser ubicadas de modo que la distancia entre centros es de 105 mm como estaba
diseñado el sistema y sin presentar interferencias en la instalación de las mismas.
Figura 27. Ensamble de rodamientos en cara anterior.
Simulación
Figura 28. Ensamble rodamientos en cara posterior.
Simulación
105 mm
57
Figura 29. Chumacera UCFL207-20. Simulación
La capacidad de carga dinámica en las chumaceras es aproximadamente de 2619 kg y la estática
es de 1569 kg lo cual está muy por encima de los valores a los que estarán sometidas por parte
del prototipo. (AST Bearings and Related Products & Services)
5.8. Mesa de soporte
A causa del peso que tendrá el prototipo, es necesario emplear una superficie que lo soporte y
además que lo eleve a una altura adecuada para depositar el plástico en la entrada de la máquina,
así se le facilita al operario la manipulación del material que se quiere triturar. Para este fin se
requiere una mesa estructural en la cual estarán fijados el motor eléctrico, la caja de reducción y
la estructura de soporte ya que las vibraciones producidas por el mecanismo de cuchillas
afectaran a la eficiencia de la máquina, estas uniones se harán con elementos roscados para su
fácil ensamble y desensamble en caso de requerirse mantenimiento.
58
Figura 30. Mesa de soporte, vista isométrica. Simulación
Figura 31 Mesa de porte, motor, caja de reducción.
estructura de soporte. Simulación
Además, en este tipo de trabajos es de gran importancia una buena alineación de ejes y debido a
que hay diferencias de altura entre los ejes principales del sistema con la salida de la caja
reductora, es necesario ubicar unos ángulos como plataforma debajo de la caja de reducción; con
esto se tendrá un acople ideal para la transmisión de potencia del sistema. Teniendo una distancia
de 157 mm desde la base de la mesa hasta el centro del eje del sistema y una distancia de 103 mm
entre la base de la caja y el centro de su salida, se puede obtener la altura necesaria de la siguiente
forma:
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑗𝑎 = 157𝑚𝑚 − 103𝑚𝑚 = 54 𝑚𝑚
59
Figura 32. Distancia del centro del agujero del eje a la base
de la mesa de soporte
Figura 33. Distancia media de la caja de reducción
Figura 34. Medidas de nivel mesa de soporte
Al igual que el eje de la máquina, el motor eléctrico al alinearse con la entrada de la caja de
reducción no estará a la misma altura, por tal motivo se diseñó una plataforma por fuera de la
mesa para poder minimizar el tamaño de la mesa y teniendo en cuenta el arreglo de altura
157 mm 103 mm
54 mm
135 mm
60
anterior, el valor de elevación del motor con respecto a la mesa será de 135 mm como se aprecia
en la figura 34.
El material que se seleccionó para la mesa es hierro estructural de 1 ½ de pulgada cuadrada para
el marco de la mesa, para los demás componentes se utilizó el mismo material con las medidas
especificadas anteriormente.
El objetivo final de la mesa de soporte es facilitar la movilidad de la máquina de una forma
sencilla, lo que posibilitara su ubicación en diferentes puntos sin tomar en cuenta el peso de la
misma; para lograr esto, se instalaran ruedas en cada pata. Figura 35.
Figura 35. Ubicación de las ruedas en mesa de soporte.
5.9. Tolva
Debido a la necesidad fijar la entrada masiva de plásticos en la máquina trituradora, se
implementó una tolva que mantendrá los materiales dentro del canal de inserción. Esta tolva será
construida con láminas de acero galvanizado y de un espesor de 3 mm, la razón del material
61
seleccionado es por el tipo de material que se tritura y no es necesario una resistencia muy alta en
esta sección de la máquina.
Para obtener una nivel ideal de la máquina, la tolva tiene una altura de 125 mm que corresponde a
la mitad de la medida de la caja de soporte y un ángulo de 45 grados, con esto se quiere que los
elementos desciendan de forma pausada y no salgan del sistema en el antes, durante o después del
proceso de trituración.
Figura 36 acople de Tolva, vista frontal. Simulación
Figura 37. Acople de Tolva, vista isométrica
Figura 38. Diseño Tolva. Simulación
62
5.10. Elementos de fijación
Para mantener la maquina funcionando de forma adecuada y segura, es necesario establecer
elementos de fijación en las piezas que componen el prototipo; estos elementos serán roscados
para el fácil ensamble y desensamble.
Las especificaciones de los tornillos de cada pieza del prototipo están descritos a continuación:
Tabla 7: ESPECIFICACIONES DE ELEMENTOS DE FIJACIÓN
Pieza Tornillo
Estructura de soporte TLLO HEX G8 UNC 1/2
x 1 ½
Estructura de Soporte -
Mesa
TLLO HEX G8 UNC 1/2
x 1 ½
Motor Eléctrico – Mesa TLLO HEX G8 UNC
9/16 x ¾
Estructura de Reducción -
Mesa
TLLO HEX G8 UNC
9/16 x 1/4
Rodamientos TLLO HEX G8 UNC
7/16 x 2
63
VI. MANUFACTURA
Uno de los pasos más importantes en la fabricación del prototipo es el proceso de manufactura,
donde las piezas fabricadas conforman una estructura sólida que realizara la tarea propuesta;
dentro de esta etapa se realizarán los ajustes necesarios con respecto al diseño previo (CAD) ya
que lo más seguro es que no todo lo planteado en el paso previo coincida de manera exacta.
En esta sección se describirá todo el desarrollo que tuvieron los componentes de la maquina
incluyendo la obtención de material prima.
6.1. Estructura de soporte
Para el desarrollo de la estructura de soporte se adquirieron 8 piezas de ¾ de pulgada con las
siguientes dimensiones:
2 placas de 445 mm x 253 mm para las paredes laterales.
2 placas de 445 mm x 44 mm para las placas que se fijaran a la mesa.
2 placas de 253 mm x 63 mm para las bridas que unirán la tapa de la mesa.
1 placa de 253 mm x 245 mm para la parte frontal u opuesta a la tapa.
1 placa de 368 mm x 253 mm para la tapa que se fijara a las bridas.
Posteriormente se rectificaron a las medidas que debía tener la caja las cuales son
respectivamente:
64
2 placas de 442 mm x 250 mm
2 placas de 442 mm x 42,7 mm
2 placas de 250 mm x 61,750 mm
1 placa de 250 mm x 243 mm
1 placa de 366,5 mm x 250 mm
Finalmente se realizó un proceso de soldadura usando la técnica de Metal Inert Gas (MIG) para 7
de las 8 piezas que darían la forma de la estructura de soporte mientras la octava sería la tapa que
se atornillará a las bridas; no sin antes hacer las perforaciones necesarias de 1/2, 7/16 y 1 1/2 para
los tornillos de fijación tanto de la mesa como de la tapa, las chumaceras y para el eje
respectivamente, este último agujero un poco más grande que el diámetro del eje que atraviesa la
estructura pero menor al diámetro de operación en las cuchillas y los bujes separadores, con el fin
de impedir que el eje completo atraviese el agujero pero que permita una pequeña tolerancia en la
sección que si lo hace.
Figura 39. Estructura de soporte
65
6.2. Engranajes
El desarrollo de los engranajes consistió en la fabricación del mismo en acero 8620 siguiendo los
parámetros de diseño como el número de dientes, diámetro primitivo, forma y altura de los
dientes con un módulo de 5,83 mm.
Posteriormente se realizó un cementado de los dos engranajes fabricados el cual consistió en
someterlos a temperatura de 880-925 y realizar el enfriamiento bajo la temperatura ambiente,
finalmente se realizo un revenido inmediato de una hora a 150-260 . Este proceso se realizo
para aumentar su dureza de la superficie la cual quedo en un valor de 58 HRC.
Figura 40. Engranajes post cementado
6.3. Cuchillas
El proceso de fabricación de los elementos de corte consistió en el corte de la geometría diseñada
sobre una lámina de acero A36 de 3/4 in, en este proceso se utilizó la técnica de oxicorte
66
automatizada la cual utilizo el archivo de extensión .dwg y realizó el corte de 22 cuchillas con un
orificio un poco menor al requerido en el diseño, esta decisión fue debido a que se maneja un
grado de tolerancia de 2 mm pero después de realizó la perforación indicada a cada cuchilla.
Figura 41. Cuchillas post cementado
Se procedió a amortajar la ranura por la cual pasara la chaveta del eje de 3/8 in y finalmente se
cementaron las piezas de corte a una dureza de 60 HRC. Debido a que es común que el
cementado cause que se tuerzan un par de decimas de milímetro, las cuchillas pasaron por un
proceso de rectificado lo cual las dejo enderezadas y además las afiló para poder hacer los cortes
en el plástico. La rectificación produjo que se redujera el espesor de las cuchillas a 18,60 mm.
Figura 42. Cuchillas rectificadas y afiladas
6.4. Bujes separadores
Para la fabricación de los bujes separadores se adquirió una barra perforada de acero 1518 de
50x75x420 mm para posteriormente realizar varios cortes con lo que se obtuvieron 22 piezas de
67
19 mm de espesor; este espesor es adecuado ya que sobrepasa un poco el de la cuchillas,
logrando que se haga un buen ensamble del juego de cuchillas y bujes separadores.
Para terminar, se refrentaron los diámetros externos para dejarlos en la medida indicada, se
realizaron las perforaciones para el diámetro interno y finalmente se hizo un proceso de
amortajado para las ranuras de la chaveta de 3/8 in.
Figura 43. bujes separadores
6.5. Ejes
El desarrollo de los ejes partió de la obtención de un cilindro de SAE 1045 con medidas 1 7/8 in
x 765 mm; después se realizaron dos refrentados, para dejar el diámetro externo de 1 3/4 como es
requerido en la sección de trituración, y el cambio de sección a 1 1/4 en los extremos para los
rodamientos.
68
Posteriormente se hicieron dos pares de ranuras para posicionar los anillos de sujeción Seeger
que restringían el movimiento axial del arreglo de cuchillas y bujes separadores y dos pares más
para la restricción de los engranajes.
Finalmente se realizaron los canales o chaveteros para el posicionamiento de la chaveta en la
sección de trituración del sistema y debido a que el diámetro del eje de la maquina no
correspondió con la medida del eje de salida de la caja de reducción, se tuvo que fabricar un buje
de acople entre estos dos con su respectivo sistema de chaveta incluyendo los prisioneros de 1/2
in; con esta pieza adicional se logró hacer un acople adecuado para la transmisión efectiva de
potencia. El material utilizado para este acople fue de acero 1518 de barra perforada.
Con el proceso anterior se pudo realizar la introducción de cuchillas y bujes separadores de forma
intercalada en cada uno de los ejes.
Figura 44. Ejes
Figura 45. Anillo de retención Seeger
Figura 46. Ensamble ejes, bujes y cuchillas
69
6.6. Mesa de soporte
El proceso de la mesa de soporte se realizó al finalizar las demás piezas ya que al acoplarlas unas
con otras se observaba el espacio requerido de la superficie y se comprobaba si las medidas
planteadas en el diseño son adecuadas.
Se utilizaron diferentes perfiles cuadrados de hierro estructural, en total 8 barras que se soldaron
con la técnica MIG e hicieron el marco de la mesa, seguidamente se soldó una placa de acero
estructural de 1/4 in de espesor y medidas de 460 x 1000 mm en la parte superior del marco.
Para reforzar las uniones de las patas de la mesa se soldaron 3 barras en la zona inferior de la
misma con el fin de que se mantengan rectas y paralelas a pesar de la carga que proporciona la
máquina. Anillo de retención Seeger.
Además se soldaron los ángulos que soportarán y nivelarán el motor eléctrico y la caja reductora
de modo que se obtenga un acople totalmente alineado entre el eje de la máquina y el eje de
salida de la caja de reducción e igualmente entre el motor eléctrico y la caja reductora.
Finalmente se realizó una abertura con la técnica de oxicorte bajo el área de trituración con el fin
de que los pallets a la salida salgan de la maquina a algún contenedor debajo de la mesa y
también se efectuaron las perforaciones para la fijación de la caja de soporte, caja de reducción y
motor eléctrico.
70
Figura 47. Manufactura mesa de soporte
Figura 48. Proceso oxicorte en mesa de soporte
71
Después de terminar la fabricación de la mesa de soporte, se soldaron las ruedas de 100kg de
capacidad cada una para transporte del prototipo.
Figura 49. Ruedas giratoria de 100 Kg
6.7 Tolva
Para la seguridad en la operación de la máquina y mantener los elementos plásticos que se
quieren triturar dentro de la misma, se realizó la fabricación de una tolva sencilla con platinas
delgadas de acero galvanizado de 3 mm las cuales fueron cortadas y soldadas en los bordes según
el diseño planteado, finalmente se hicieron dos perforaciones en cada pared lateral de la
estructura de soporte y en dos de los lados de la tolva, para su posterior ensamblaje y fijación.
Los agujeros fueron de 1/2 in.
6.8. Motor y caja de reducción
Para la configuración del motor eléctrico se tomó en cuenta el catálogo de Siemens, que para la
referencia específica del motor utilizado y la tensión de la red en Colombia de 220V, nos muestra
72
cómo debe ir conectada la caja de bornes y donde están las salidas de las 3 fases de motor que
irán a un arrancador, el cual cumplirá la función de regular la tensión y la corriente durante la
etapa de arranque del mismo para después salir a la clavija que llevara al toma trifásico. El toma
de la Universidad de los andes necesita una clavija de referencia NEMA L6-20
Figura 50. Tomacorriente y clavija NEMA L6-20
Figura 51. Configuración eléctrica Motor Siemens en estrella
73
Figura 52. Conexión y acople Arrancador
Además de la configuración electrónica se realizó un acople entre el motor eléctrico y la caja de
reducción de tornillo sin fin NNRV 090 con relación 20:1 y se fijó por medio de las bridas de
ambos equipos con elementos roscados.
Figura 53. Acople, motor y caja de reducción por flange 112B5
Al finalizar los procesos de manufactura y ensamblaje, el prototipo funcional se observa a
continuación:
Figura 54. Ensamble completo de prototipo
74
VII. PRUEBAS
Una sección de gran importancia en el proyecto es que se debe poner a prueba el prototipo
obtenido. Para lograr esto se diseñaron una serie de pruebas en donde se pueda verificar que
todos los elementos introducidos en el sistema saldrán triturados exitosamente para
posteriormente realizar una micro selección o ser lavados, secados y extruidos.
Para estas pruebas se debe verificar que no haya atascos ni tampoco deslizamientos de los
envases redondos sobre los elementos de corte, tampoco piezas que salgan del sistema sin ser
triturados.
El proceso consistió en clasificar los envases de plástico por su categoría de reciclaje los cuales
se presentan sobre la superficie del mismo; estas categorías van del 1 al 7 y al pasar por el
proceso de trituración se examina la condición de estos elementos en la salida.
Figura 55. Clasificación por tipo de plástico
75
Al igual que la revisión del material a la salida, se observa el funcionamiento y efectividad de
corte de las cuchillas, es decir, verificar que los elementos de corte estén cortando con su sección
de filo que son los extremos laterales de las mismas.
Figura 56. Comprobación de corte
Finalmente se tomó en cuenta el tiempo de trituración para los elementos, para este proceso se
ingresaron distintos envases del mismo material y después se combinaron varios materiales para
observar su influencia en el tiempo que toma el proceso trituración.
76
VIII. ANALISIS DE RESULTADOS
Realizadas las prueba, se observó el material en la salida de la máquina, y al ver los pellets se
noto que aunque están triturados, algunos tienen un tamaño un poco mas grande de lo esperado
como se observa en la Figura 57 ; sin embargo la mayoría logró cumplir con su tamaño esperado.
Debido a esos pellets que no cumplieron con un tamaño deseado para su proceso posterior, se
requiere realizar una vez mas el proceso de trituración, y al hacerlo se evidencio que el resultado
contenía un numero menor de piezas grandes en la molienda. Otro aspecto por resaltar para
mejorar este resultado es que las cuchillas deben estar afiladas a lo largo de todo el borde que
tiene contacto con el plástico y no solo en los extremos como se realizó en este prototipo debido a
costos de manufactura; así se llegara a pellets mas finos.
Figura 57. pellets de un mismo material
Con respecto al análisis de tiempo que tomaba el proceso de trituración en cada envase se calculó
un promedio sobre una serie de tomas de 5 segundos, con un peso estimado de 30 gramos.
77
Según los resultados, la capacidad de la maquina es de 0,36 kg por minuto y en el entorno donde
se planea desempeñar, ambientes comunes de reciclaje manual, seria ideal para la cantidad de
material que recibiría de forma continua. Figura 58
Figura 58. Inserción de material en el prototipo
Al realizar la prueba, algunas botellas rebotaban del sistema debido a que no se agarraban en las
cuchillas y por el continuo movimiento fueron expulsadas, La tolva en esta caso juega un papel
muy importante ya que aunque es un elemento de seguridad, mantiene los elementos en el
sistema para que con el ingreso de nuevo material se cause agarre firme y finalmente se trituren
de forma adecuada.
Finalmente después de hacer pruebas con envases de un solo material, se procedió a introducir
combinaciones aleatorias de los mismos y se concluyó que no afecto en absoluto el resultado de
la molienda, es decir, se conservo el tamaño y el tiempo. Figura 59.
Figura 59: pellets de materiales plásticos combinados
78
IX. CONCLUSIONES
Se cumplió el objetivo de construir una maquina que permite realizar trituración de envases
plásticos, el cual es automatizado y no presenta atascos en la entrada de material. Dado su tamaño
también permite adaptarse a ambientes de reciclaje manual, lo que logra acelerar y complementar
el ciclo que atraviesan los plásticos para ser usado
Debido a los espacios que hay entre cada una de las puntas de las cuchillas, no es recomendable
que estén todas alineadas ya que se impide el corte continuo de material, por esta razón se
ubicaron las cuchillas desfasadas 45 grados una de otra, para aumentar la eficacia de la máquina,
frente a grandes volúmenes de material. De esta manera se disminuyen las cargas por ciclo de
corte a un máximo de 6 en lugar de 11 el cual es el caso si todas estuvieran cortando ens la mis
línea y se mantiene un corte sin pausa del material.
Al realizar un orificio en las cuchillas que permita el ensamble con el eje, se debe tener en cuenta
una contracción en el material debido al temple de aproximadamente dos decimas de milímetro,
lo que podría ocasionar complicaciones en el montaje del prototipo.
Para obtener una mejor calidad de Pellets es necesario afilar cada una de las puntas de las
cuchillas a lo largo de todo el borde, de lo contrario el material será cortado solo con las esquinas
79
de las mismas y el resultado en la salida no será el deseado. Otra solución puede ser pasar de 2 a
3 veces el material por la maquina aunque no estaría cumpliendo con el objetivo del proyecto.
Se obtuvo una maquina trituradora de envases de plástico cuya capacidad es de 0,36 kg por
minuto y su peso es de 152kg.
Aunque el prototipo cuenta con la capacidad de triturar cualquiera de las 7 clasificaciones de
envases utilizados en la industria del reciclaje domestico, Es importante considerar el tipo de
plásticos que se tritura y el fin al que será destinado el material resultantes. No es recomendable
la inserción de plásticos tipo 3 (PVC), 6 (PS) y 7 (Otros), que pueden desprenden ftalatos o
bisfemol sustancias consideradas perjudiciales para seres humanos y animales. Pequeñas
cantidades de estos tóxicos, pueden impedir la reutilización del material .
Aunque se demostró la capacidad del prototipo para hacerlo, no conviene realizar el proceso de
trituración con todo tipo de polímeros mezclados debido a que en el proceso de reciclaje que
continúan los pellets es muy útil que estén separados por clase de material, a fin de reutilizar
adecuadamente los elementos que lo componen. A menos que el objetivo sea la utilización de
reciclado en bloques para construcción, donde la combinación de polímeros, resulta útil.
80
X. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS
COMPLEMENTARIOS
Para tener mejores resultados en este proyecto por tiempo y calidad de molienda, es de gran
ayuda un aplanador de envases, con esto se evita la inserción de elementos cilíndricos que
dificultan el rápido agarre por parte de las cuchillas y por lo tanto su respectivo proceso de
trituración.
Según resultados en pruebas desarrolladas, se estima que el tiempo que se desperdicia cuando un
envase cilíndrico no se sujeta apropiadamente de las cuchillas es de aproximadamente 3
segundos, lo cual si se considera en una escala mayor podría representar un atraso importante en
la producción de pellets.
81
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ANEXOS
ANEXO A FACTOR DE APLICACION DE CARGA Ka
(Norton, 2011) p. 577
87
ANEXO B FACTOR GEMOETRICO J
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 724
ANEXO C FACTOR DE DISTRIBUCION DE CARGA Km
(Norton, 2011) p. 577
88
ANEXO D FACTOR DE ESPESOR DE ARO KB
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 735
ANEXO E FACTOR DINAMICO KV
(Norton, 2011) p. 573
89
ANEXO F ESFUERZO PERMISIBLE DE ACEROS GRADO 1 Y 2 EN ENGRANAJES
(Universidad de Castilla-La Mancha) p. 9
ANEXO G SENSIBILIDAD A LA MUESCA DE MATERIALES SOMETIDOS A
FLEXION INVERSA DE CARGAS AXIALES INVERSAS.
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 282
90
ANEXO H SENSIBILIDAD A LA MUESCA DE MATERIALES SOMETIDOS A
TORSION INVERSA
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 282
ANEXO I FACTORES TEORICOS DE CONCENTRACION DE ESFUERZO Kt EN
TORSION
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 992
91
ANEXO J FACTORES TEORICOS DE CONCENTRACION DE ESFUERZO Kt EN
FLEXIÓN
(Budynas & Nisbett, 2012) p. 992